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Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen

Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen. Vorstellungskolloquium im Rahmen des Habilitationsverfahrens Universität Würzburg 8. Januar 2007 Walter Winter Universität Würzburg. TexPoint fonts used in EMF: A A A. Inhalt. Einführung Drei-Flavor Neutrinooszillationen

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Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen

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  1. Neutrinooszillationen:Präzisionsphysik mit Geisterteilchen Vorstellungskolloquium im Rahmen des Habilitationsverfahrens Universität Würzburg 8. Januar 2007 Walter Winter Universität Würzburg TexPoint fonts used in EMF: AAA

  2. Inhalt • Einführung • Drei-Flavor Neutrinooszillationen • Experimente mit künstlichen Neutrinoquellen • Auf dem Weg zur Präzisionsmessung • Wofür sind diese Messungen gut? • Ausblick Physikal. Kolloqium - W. Winter

  3. Etwas Historie • 1933 Pauli postuliert Neutrino wegen fehlenderEnergie im Betazerfall • Nobelpreise in der Neutrinophysik: 1988 Entdeckung des Myon-Neutrinos (Lederman, Schwartz, Steinberger) 1995 Entdeckung des Neutrinos (Frederick Reines) 2002 Entdeckung kosmischer Neutrinos (Ray Davis Jr., Masatoshi Koshiba) ???? Mass. Neutrinos/Neutrinooszillationen (KATRIN, 2006) (Super-Kamiokande, 1998; Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  4. Das Standardmodell der Elementarteilchen • Drei Generationen Fermionen: Drei Neutrinos • Neutrinos masselosim Standardmodell • Experimentelle Probleme: • Neutrinos oszillieren • Dunkle Materie, dunkle Energie • Physik jenseits des Standardmodells? (Glashow, Salam, Weinberg; ‘t Hooft, Veltman; Gross, Politzer, Wilczek; many many others) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  5. Warum sind Neutrinos so schwer zu fassen? • Es gibt sehr viele Neutrinos (z. B. aus der Sonne, Atmosphäre):70.000.000.000 s-1 cm-2alleine von der Sonne • Aber: Kaum Wechselwirkungen;keine Ladung, keine starke WW • Daher: Baue große Detektoren (O(1000 t)) oft tief unter Tage (Background-Reduktion) (SNO) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  6. 10-4 10-3 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 E [eV] keV MeV GeV TeV Woher kommen die Neutrinos? Natürliche Quellen KünstlicheQuellen= “man made” Physikal. Kolloqium - W. Winter

  7. Vorhergesagte Elektron-Neutrinorate aus der Sonne (John Bahcall) passte nicht zur Beobachtung (Ray Davis Jr.). Verschwinden die Neutrinos?Oder war das Modell falsch?(1960er bis 90er) Rate der Neutrinos von unten und oben kommend sollte gleich sein Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Hinweis auf einen Flavor-Übergang!(Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos”, 1998) Das Geheimnis der fehlenden Neutrinos Physikal. Kolloqium - W. Winter

  8. Wohin sind die Neutrinos verschwunden? Für massive Neutrinos, die mischen: na oszillieren: EZ schwache WW EZ Masse Frequenz Amplitude Baseline: Quelle - Detektor Energie (Pontecorvo, 1957; Maki, Nakagawa, Sakata, 1962) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  9. ( ) ( ) ( ) = x x Neutrinomischung mit drei Flavors (sij = sin qij cij = cos qij) • Drei Mischungswinkel q13, q12,q23;eine CP-Phase dCP • Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos,aber für Oszillationen irrelevant Physikal. Kolloqium - W. Winter

  10. Neutrinomasse • Neutrinos sind vielleichter als die Quarks, geladenen Leptonen • Zwei Massenquadrat-differenzen relevant für Oszill. : |Dm212 | << |Dm312| • Massenhierarchie:Normal oder invertiert? • Massenspektren: Hierarchisch oder entartet? Physikal. Kolloqium - W. Winter

  11. Drei-Flavor-Neutrinooszillationen AtmosphärischeOszillationen:Amplitude: q23Frequenz: Dm312 SolareOszillationen:Amplitude: q12Frequenz: Dm212 Kopplungsstärke: q13 (Super-K, 1998;Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002) Unterdrückter Effekt: dCP Nur obere Grenze bisher!Ohne q13, keine CP-Verletzungmessbar und Anordnungder Massen sehr schwerzugänglich (sgn(Dm312)) CP-Verletzung ist nötig um unsereExistenz rechtzufertigen! (Materie-Antimaterie-Asymmetrie)Ist dieser Parameter der Schlüssel? Physikal. Kolloqium - W. Winter

  12. Was wir über Neutrinos (nicht) wissen • Gibt es in drei aktiven (=schwach wechselwirkenden) Flavors • Neutrino-Oszillationsparameter (1s):Dm212 ~ 8.2 10-5 eV2 +- 5%sin22q12 ~ 0.83 +- 5%|Dm312| ~ (2 – 2.5) 10-3 eV2sin22q23 ~ 1 +- 7%sin22q13 < 0.14dCP = ?Massenhierarchie: Normal oder invertiert? • Andere Parameter:a1, a2 = ? (Majorana-Phasen)Absolute Neutrino-Massenskala? < 1 eVMassenterme: Dirac oder Majorana? • Kleine “Nicht-standard” Beimischungen, wie etwa sterile Neutrinos, Neutrinozerfall etc? LSND-Anomalie? Max. Mischung auf 5s ausgeschl.! Exakt maximale Mischung? (siehe z. B. Bahcall et al, hep-ph/0406294; Super-K, hep-ex/0501064; CHOOZ+solare paper) Nur obere Schranke! Physikal. Kolloqium - W. Winter

  13. Wichtige offene experimentelle n-Fragen Aus der US APS-Studie (2004):“We recommend, as a high priority,a comprehensive U.S. programto determine the character of theneutrino mass spectrum, and to search for CP violation amongneutrinos. This program shouldhave the following components:- An expeditiously deployed multi-detector reactor experiment […]- A timely accelerator experimentwith [...] sensitivity to the mass hierarchy through matter effects- A proton driver in the megawattclass […] and neutrino super-beam with an appropriate very largedetector […]” • Absolute Massenskala • Wie groß ist q13?Lept. CP-Verletzung?Massenhierarchie? • Spektrum astro-physikalischer Neutrinos: Neutrinoteleskope • Niederenergie-Neutrinos aus der Sonne: Test des solaren Standardmodells • Test der “LSND-Anomalie” Forschung der kommendenJahre: Wie sieht das genau aus? Physikal. Kolloqium - W. Winter

  14. Ein Multi-Detektor-Reaktorexperiment… für eine “saubere Messung” von q13 Identische Detektoren, L ~ 1.1-1.7 km Daya Bay, Braidwood,Angra, Triple Chooz? Unbek.Systemtatikwichtig fürgroße Lumi. DoubleChooz3 Jahre NB: Keine Sensitivitätauf dCP undMassenhierarchie! (Minakata et al, 2002;Huber, Lindner, Schwetz, Winter, 2003) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  15. Spin-off: Nuclear monitoring • Idee: Baue Detektor inLastwagengröße um “Inventar” eines Reaktors zu überwachen • Prinzip: Die Event-Raten nahe eines Reaktors sind hoch, die (Anti-)Neutrinos kann man nicht abschirmen: • 0.64 t Detektor • 25 m vom Reaktorkern • Typische thermische Leistung = 3.46 GW • ~4000 Events/Tag für 100% Detektionseffizienz • Antineutrino-Rate hängt von Isotop und Zeit ab („Burn-up“-Effekt) • Angestrebe Präzision: ~ O(10) kg Anzahl Antineutrinos/Zerfälle hängt von Isotop ab! (Adam Bernstein, LLNL) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  16. Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Neutrino Beams nb? Künstliche Quelle: Beschleuniger, Reaktor na Ferndetektor Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte, Systematik) Baseline: L ~ E/Dm2 (Osz.-länge) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  17. In Betrieb: MINOS • Messung der atmosphärischenParameter mit hoher Präzision • Auftauchen von Neutrinosmit “anderem” Flavor? Fermilab - SoudanL ~ 735 km Beam line Nahdetektor: 980 t Ferndetektor: 5400 t 735 km Physikal. Kolloqium - W. Winter

  18. GLoBES AEDL„Abstract ExperimentDefinition Language“ Definiere+modifiziere Experimente User InterfaceC-Bibliothek, die AEDL-Dateien lädt Funktionalität zurExperimentsimulation AEDL-Dateien Simulation zukünftiger Experimente http://www.mpi-hd.mpg.de/lin/globes/ Anwendungssoftwarewird mit User Interface gelinktBerechne Sensitivitäten etc. (Huber, Lindner, Winter, 2004) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  19. Event-Raten-Berechnung • In der Praxis: Sekundärteilchen werdenausintegriert • Detektor-Response R(E,E´) E E´ Physikal. Kolloqium - W. Winter

  20. GLoBES 3.0 Release • Neue Features: • BenutzerdefinierteSystematik (z. B. für Reaktorexperimente) • BenutzerdefiniertePriors(z. B. um externe Experimente zu addieren) • Nicht-Standard-Physikunterstützt (Huber, Kopp, Lindner, Rolinec, Winter, in Vorbereitung) (Huber, Kopp, Lindner, Rolinec, Winter, to appear) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  21. Die Jagd nach q13 • Beispielszenario; Bänder repräsentieren unbekanntes dCP • Neue Generation von Experimenten dominiert sehr schnell! • Neutrinofabrik:Reichweite sin22q13 ~ 10-5 -10-4 (=Oszillationsamplitude) GLoBES 2005 (from: FNAL Proton Driver Study; Albrow, …, Winter, et al, 2005) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  22. Perspektiven für die nächsten 10 Jahre 90% CL (solid) 3s (dashed) Bestimmung vonMassenhierarchie,CP-Verletzungunwahrscheinlich! (Huber, Lindner, Rolinec, Schwetz, Winter, 2004) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  23. Ultimative Präzision: Neutrinofabrik? (from: CERN Yellow Report ) • Myonzerfälle in den geraden Sektionen eines Speicherrings • Natürlicherweisezwei Baselines • Vorstufe zumMyon-Collider? • ~ 1.000.000 Events/Jahr im nm -> nm-Kanal(L=3.000 km) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  24. Appearance-Kanäle: nmne • Kompliziert, enthält aber alle relevantenInformationen: q13, dCP, Massenhierarchie (via A) (Cervera et al. 2000; Freund, Huber, Lindner, 2000; Freund, 2001) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  25. Korrelationen und Entartungen • Zusammenhängende (grün) oder nicht-zusammenhängende (gelb) entartete Lösungen (best. confidence level) im Parameterraum • Beeinträchtigen MessungenBeispiel: q13-Sensitivität • Diskrete Entartungen: (d,q13)-Entartung(Burguet-Castell et al, 2001)sgn-Entartung (Minakata, Nunokawa, 2001)(q23,p/2-q23)-Entartung (Fogli, Lisi, 1996) (Huber, Lindner, Winter, 2002) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  26. Welche Baselines, welche Energien? ~600 CPU-hrs • 3000-5000 km gut fürCP-Verletzung • ~7500 km gut für Massenhierarchie, Entartungsaufl. • Benutze zwei Baselines: 4000 km+7500 km, Em > 40 GeV $50 Mio.? CP-Verletzung q13-Sens. Fig. aus Huber, Lindner, Rolinec, Winter, 2006. Beitrag zur “International scoping study of a future Neutrino factory and super-beam facility”, 2005-2006 Massenhier. Physikal. Kolloqium - W. Winter

  27. Materieeffekte in n-Oszillationen (MSW) • Erdmaterie enthält Elektronen, aber kaum m, t • Kohärente Vorwärtsstreuung in Materie hat Nettoeffekt auf Elektron-Flavor: • Materieeffekte sind proportional zu L und r • Hamiltonian im Flavor-Raum: ne, nm, nt nur ne (Wolfenstein, 1978; Mikheyev, Smirnov, 1985) ne nm nt Y: Elektronen-anteil ~ 0.5 (Elektronen pro Nukleon) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  28. Materieprofil der Erde… aus der Sicht eines Neutrinos Kern InnererKern (PREM: Preliminary Reference Earth Model) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  29. Materedichteunsicherheiten in 3D-Mod. ~ 5% (http://cfauvcs5.harvard.edu/lana/rem/mapview.htm) Materieeffekte: Fluch oder Segen? • Wichtig für Massenhierarchie-Bestimmung: • Problem für andereParameter (q13, dCP): Geophysikalische Materiedichte-unsicherheiten(gemessen von seismischen Wellen) • ca. 5% Unsicherheit im Materieprofil Physikal. Kolloqium - W. Winter

  30. Leptonische CP-Verletzung • CP-Verletzung ~ Antiteilchen haben andere Eigenschaften als Teilchen • Test von CP-Verletzung: Vergleich mit CP-konjugiertem Experiment ~ Vergleich Neutrinos – Antineutrinos (in Vakuum): • Problem der Erdmaterie: Verletzt CP, CPT(da kaum Positronen in der Erde; ggf. auch asymmetrisches Materieprofil) • CP-Verletzung ist nur in Konvolution mit vielen anderen Parametern messbar; prop. zu sin dCP Physikal. Kolloqium - W. Winter

  31. Neutrino-Tomographie?! L ~ 7.200 km (v. FNAL) • Präzision der mittleren Dichtemessung bei sehr langen Baselines ~ 0.25-0.5% (1s, große q13) (Winter, 2005; Minakata, Uchinami, 2006; Gandhi, Winter, 2006) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  32. Warum diese Messungen? • Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc. • Vorhersagen für q13, q23-p/4, Massenhierarchie, etc. • Beispiel: Literaturrecherche für q13 Experimenteliefern wichtigeHinweise für Theorie Peak generisch oder voreingenommen? (Albright, Chen, 2006) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  33. Mischung: Quarks versus Leptonen VCKM UPMNS • Grundidee: Gleiche Parameterisierung • Ergebnis: Kaum Mischung (Quarks) versus fast maximale Mischung (Leptonen) – Wieso? Physikal. Kolloqium - W. Winter

  34. E GUT Symmetrie-brechung(en) Lepton-Sektor Quark-Sektor Der Traum von der großen Vereinheitlichung • Phänomenologischer Hinweis z. B.(„Quark-Lepton-Komplementarität“ - QLC) • Gibt es eine Größe e ~ qC, die alle Mischungen und Hierarchien erklären kann? • Überbleibsel der GUT e (Petcov, Smirnov, 1993; Smirnov, 2004; Raidal, 2004; Minakata, Smirnov, 2004) e e Physikal. Kolloqium - W. Winter

  35. Manifestation von e ~ 0.2 • Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen: mu:mc:mt=e4:e3:1, md:ms:mb=e4:e2:1, me:mm:mt=e4:e2:1 • Neutrinomassen: m1:m2:m3~e2:e:1, 1:1:e oder 1:1:1 • Mischungen UPMNS ~ VCKM+Ubimax ? VCKM ~ Kombination ause und max. Mischungen? Physikal. Kolloqium - W. Winter

  36. Erweiterte Quark-Lepton-Komplementarität(Plentinger, Seidl, Winter, 2006) • Nur generische Annahmen: Alle vorkommenden Mischungswinkel • Teste von 262.144 Möglichkeiten systematisch: 2.468 davon kompatibel mit momanten Daten • Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). Beispiel: „Diamanten “-Texturenmit neuen Summenregeln, z. B. Physikal. Kolloqium - W. Winter

  37. Vorhersagen aus erweiterter QLC • Generische Vorhersagen für Mischungswinkel • Im Vergleich zur GUT-Literatur:Kein Peak bei sin22q13 ~ 0.04, Einige Modelle mit kleinen sin22q13 ~3.3 10-5 MADE IN WÜRZBURG (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  38. Neutrinomasse: Dirac versus Majorana • Dirac- oder Majorana-Massenterme? • See-saw: Leptogenese:Zerfall der MRSieg der Materie über Antimaterie See-saw:Erklärt winzige Masse Majorana-Massentermeimplizierenschwere MR Physikal. Kolloqium - W. Winter

  39. Ist das n sein eigenes Antiteilchen? • 0nbb-Zerfall: Testet diese Majorana-Eigenschaft • Rate ~ Kernphysik x |mee| (Heidelberg-Moscow, COBRA, EXO, NEMO, Gotthart, Majorana, etc.) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  40. Komplementarität 0nbb/Long-Baseline • Momentan relativgroßer Bereich theoretisch erlaubt • Insbesondere verschwindende Rate erlaubt (Dm312>0) • Synergien mit LBL:z. B. Dm312<0 @ NOvA + Stärkerer 0nbb-Bound = Dirac-Massenterme 0nbb-Zerfallsrate Leichteste Neutrinomasse Physikal. Kolloqium - W. Winter

  41. 0nbb-Zerfall und erweiterte QLC |mee| > 0.002 eV für 99% • Verschwin-dene 0nbb-Rate benötigtFine-tuning von Phasen • Unwahrscheinlich für konkrete ModelleBeispiel:Erweiterte QLC(+ best. Phasen-annahmen) (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) Physikal. Kolloqium - W. Winter

  42. Physik jenseits des Standardmodells: Zukunft 0nbb-Zerfall Neutrino-oszillationen LHC Bild von Physik jenseitsdes Standardmodells: SUSY? Baryogenese? See-saw? GUT? Dunkle Materie?Dunkle Energie? … Electroschw.Präzision ILC Protonzerfall,… Astrophysik+Kosmologie Bisherüberzeugende Evidenz!? SelteneZerfälle Physikal. Kolloqium - W. Winter

  43. Ausblick - Phänomenologie (subjektive Auswahl) • Experiment-Strategien zur Präzisionsmessung der Oszillationsparameter • Gibt es weitere Nicht-Standard-Physik in Neutrinooszillationen? • Maschinisierter, systematischer Test einer großen Klasse von Modellen • Vergleich Quarks-Leptonen: Warum nützt eine präzisiere Bestimmung von UPMNS? • Verbindung Neutrinooszillationen-LFV-0nbb-Collider etc. Physikal. Kolloqium - W. Winter

  44. WarumNeutrinos? • Neutrinos sind diezweithäufigsten Teilchenim Universum • Wenn wir die Neutrinos nicht verstehen,verstehen wir das Universum nicht! Physikal. Kolloqium - W. Winter

  45. Backup Physikal. Kolloqium - W. Winter

  46. Neutrino oscillations in vacuum Hamiltonian diagonal in mass space! Appliedquantum mechanics! Two independent Dm2’s! Source of CP violation if dCP not 0 or p Oscillation “signature”: Dm2L/E Physikal. Kolloqium - W. Winter

  47. Einige “künstliche” Neutrinoquellen Für führende atm. Param. Signal prop. sin22q13 Kontamination Physikal. Kolloqium - W. Winter

  48. Reaktorexperimente Short baseline: q13 Long baseline: q12, Dm212 Physikal. Kolloqium - W. Winter

  49. Erweiterte QLC - Prozedur Geladene Leptonen-Massenterme Neutrino-Massenterme • Generiere alle Möglichen Ul, Un mit Mischungswinkeln • Berechne UPMNS und lese Mischungswinkel ab; selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten • Generiere Texturen für unterschiedliche Massenhierarchie-Annahmen • Keine Diagonalisierung notwendig! Wechselwirkungs-Lagrangian Physikal. Kolloqium - W. Winter

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