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Unsichtbare Boten aus dem All -

Unsichtbare Boten aus dem All -. Unsichtbare Boten aus dem All - Neutrinos. RUDOLF M EIER. auf der Erde. Die Geburt des Neutrinos (1930) Erster Nachweis (1956). von der Sonne. Das solare Neutrino-Problem (1968-2002). aus dem Kosmos. Die Supernova 1987a Neutrino-Observatorien.

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Presentation Transcript

  1. Unsichtbare Boten aus dem All -

  2. Unsichtbare Boten aus dem All - Neutrinos RUDOLF MEIER auf der Erde Die Geburt des Neutrinos (1930) Erster Nachweis (1956) von der Sonne Das solare Neutrino-Problem (1968-2002) aus dem Kosmos Die Supernova 1987a Neutrino-Observatorien

  3. 1930: Krise in der Physik „Oh, daran denkt man am besten gar nicht, wie an die neuen Steuern“

  4. 1930: Energie-Erhaltung im Beta-Zerfall verletzt?? Alpha-Zerfall Beta-Zerfall Vorstellung 1930 Pa 234 Th 234 U 238 Th 234 a (He 4) b (Elektron) Messung J Energie- Erhaltung L Ereignisse Ereignisse Erwartung Energie des b Energie des a

  5. 4.12.1930: W. Pauli an Tagung in Tübingen

  6. Beta-Zerfall * Pa 234 b (Elektron) Th 234 n Paulis neues Teilchen Neben dem Elektron entsteht ein neutrales, leichtes Teilchen, das die „fehlende Energie“ wegträgt! Fermi 1934: „Neutrino“ 1930 bekannt: Proton, Elektron, Photon "Heute habe ich etwas getan, was man in der theoretischen Physik nie tun darf. Ich habe etwas, was nicht verstanden ist, durch etwas erklärt, was man nicht beobachten kann!"

  7. n Neutrino - Nachweis • Nachweis von Teilchen: • Wechselwirkung von Teilchen mit Materie (Detektor) • Wechselwirkung in Materie hängt stark vom Teilchen ab: • Geladene Teilchen: Ionisation der Materie • Photonen: Energieübertrag auf geladene Teilchen • Neutronen: Kernreaktionen liefern geladene Teilchen Nebelkammer • Neutrinos wechselwirken sehr schwach: • Nur eins von 100 Milliarden Neutrinos aus einem • b-Zerfall bemerkt die Erde. Berechnet 1934: „Hoffnungslos“

  8. Antineutrinos aus der Kernspaltung Kernreaktor: etwa 10 Antineutrinos pro Spaltung! C. Cowan und F. Reines 1956 1013 Antineutrinos pro cm2 pro Sekunde (10 m entfernt) Etwa 3 Antineutrino-Reaktionen pro Stunde in einem 5 Tonnen - Detektor . C. Cowan, F. Reines W. Pauli 1956 Nobelpreis 1995

  9. Elektron e Myon m Tau t e-Neutrino m-Neutrino t-Neutrino Neutrinos Leptonen („leichte Teilchen“) • keine elektrische Ladung • Masse < Elektronmasse/100000 • Schwache Wechselwirkung Sirius Um Neutrinos von der Sonne abzuschirmen wird 1LJ Blei benötigt! (Abschirmung von 90%) n Blei Sonne a Centauri 1 Lichtjahr 9 Billionen km

  10. Unsichtbare Boten aus dem All - Neutrinos RUDOLF MEIER auf der Erde Die Geburt des Neutrinos (1930) Erster Nachweis (1956) von der Sonne Das solare Neutrino-Problem (1968-2002) aus dem Kosmos Die Supernova 1987a Neutrino-Observatorien

  11. Nobelpreis für Physik 2002 Raymond Davis Masatoshi Koshiba Riccardo Giacconi „Für bahnbrechende Arbeiten in der Astrophysik, die zur Entdeckung von kosmischen Röntgenquellen geführt haben“ insbesondere für den Nachweis kosmischer Neutrinos“

  12. n-Anzahl Vorhersage Exp Das solare Neutrino-Problem Die Quelle 2002 Die Lösung 1964 Der Nachweis 1968 – 2001 Das Rätsel

  13. Energiequelle der Sonne • Die Sonne strahlt enorme Energiemengen ab • seit einigen Milliarden Jahren! • welche Energiequelle? Chemische Reaktionen: 2500 Jahre L Gravitationsenergie: 20 Millionen Jahre L Kernfusion: 10 Milliarden Jahre J • Protonen tragen elektrische Ladung • Protonen stossen einander ab • Fusion findet nur bei hohen Dichten und Temperaturen statt • Im Zentrum der Sonne! Wasserstoff-Fusion: Neutrinos Energie aus 1g Wasserstoff: 200000 kWh

  14. Aufbau der Sonne Energie-Abstrahlung 6000 Grad Kernfusion 15 Millionen Grad n Neutrinos 2,3 Sekunden Energie-Transport, Dauer: 10 Millionen Jahre Radius: 700 000 Kilometer

  15. Verschiedene Wege der Fusion Anteile: berechnet im Standard-Sonnenmodell Neutrino-Anzahl 10 0.3 1 Neutrino-Energie in MeV Neutrinos aus der Sonne • Bekannt: insgesamt abgestrahlte Energie • Bekannt: Energie pro Fusionsprozess • Anzahl der pro s erzeugten Neutrinos! • Auf Erde: 66 Milliarden n pro s pro cm2 Energie der einzelnen Neutrinos

  16. Nachweis von solaren Neutrinos M. Koshiba 1986 Kamiokande R. Davis 1964 Homestake-Goldmine Einfang von Neutrinos an 37Cl-Kernen Nachweis des radioaktiven 37Ar Stoß von Neutrinos mit Elektronen Nachweis der schnellen Elektronen Mindest-Neutrinoenergie: 0.8 MeV 5 Milliarden n /s/cm² Mindest-Neutrinoenergie: 7.5 MeV5 Millionen n /s/cm² Erwartete Umwandlungen in 600t C2Cl4 pro Tag: Erwartete Ereignisse in 4500t Wasser pro Tag: Neutrino-Anzahl 1,5 0,3 10 0.3 1 Neutrino-Energie in MeV

  17. Das Davis-Experiment • Homestake-Goldmine: unter 1400m Fels • Tank mit 600t (380 000l) C2Cl4 • Verlauf eines Messzyklus (40 Tage): • Zugabe von 0.2ml 38Ar (6 Trillionen Atome) • 40 Tage Neutrino-Bestrahlung... • Erwartet: 60 Atome 37Ar • Ausspülen des Argon mit Helium • Trennung des Ar vom He durch Ausfrieren • Etwa 95% des zugesetzten Argon werden • wiedergewonnen, es sollten also auch 95% • des entstandenen 37Ar gefunden werden • Nachweis der Anzahl gefundener 37Ar • Kerne durch ihren Zerfall. • Ergebnis: es lassen sich statt der erwarteten • 60 nur etwa 20 Umwandlungen nachweisen!

  18. Das solare Neutrino-Defizit Ergebnis des Homestake-Experiments erste Veröffentlichung 1968, seitdem viele Messzyklen mit immer höherer Genauigkeit. Es wird nur etwa ein Drittel der vorhergesagten Sonnen-Neutrinos nachgewiesen! n-Anzahl Vorhersage Exp

  19. Das solare Neutrino-Defizit: Erklärungs-Ansätze 1. Das Experiment ist falsch! 3. Mit den Neutrinos stimmt was nicht! ne 4. Mit der Sonne stimmt was nicht! 2. Das Sonnenmodell ist falsch!

  20. Kamiokande, Super-Kamiokande Kamiokande n seit 1986 Super-Kamiokande n seit 1996 4500t Wasser Lichtdetektoren Neutrino J K J Licht L L schnelles Elektron Wasser 50000t Wasser Ergebnis: weniger als die Hälfte der vorhergesagten Sonnen-Neutrino-Ereignisse!

  21. Kamiokande, Super-Kamiokande: Neutrinos in Echtzeit! Super-Kamiokande: Neutrino-Aufnahme der Sonne

  22. Elektron e Myon m Tau t e-Neutrino m-Neutrino t-Neutrino ne Neutrino-Oszillationen Idee: wenn Neutrinos eine Masse haben, könnten sie sich ineinander umwandeln! ne nm Annahme: Mischung von Veränderung eines Neutrino- strahls mit dem Abstand von der Neutrinoquelle: neundnm Anteil am Strahl Abstand von der Quelle

  23. Nachweis von Neutrino-Oszillationen n1 n2 1 Messung der ursprünglichen Neutrinosorte in verschiedenen Abständen L von der Quelle Anteil am Strahl L n2 2 Messung der ursprünglichen und der entstehenden Neutrinosorte im Abstand L Anteil am Strahl n1 L 1 1998: Nachweis der Oszillation zwischen Myon- und Tau-Neutrinos mit Methode durch Super-Kamiokande (Myon-Neutrinos aus der Atmosphäre)

  24. p n p p Überprüfung der Oszillations-Hypothese für solare Neutrinos Homestake Bisher: Nachweis nur der Elektron-Neutrinos Kamiokande ) ( unwahrscheinlich, ununterscheidbar SNO: Nachweis verschiedener Neutrino-Sorten durch verschiedene Reaktionen an D2O SNO 2002 Nur Elektron-Neutrino: Nachweis Sudbury Neutrino Observatory, Kanada Mit gleicher Wahrscheinlichkeit für alle Neutrinos: Nachweis 1000t schweres Wasser

  25. Rätsel gelöst – solare Neutrinos Resultat SNO 2002: Physical Review Letters 89, 011301 (2002) n-Anzahl Alle Neutrinos Vorhersage ne Solares Neutrino-Defizit erklärt durch Neutrino-Oszillationen! SNO-Experiment Neutrinos haben eine Masse! Masse klein: nicht strukturbildende dunkle Materie

  26. Vorhersage Exp n2 Alle Neutrinos n1 Vorhersage ne Das solare Neutrino-Problem Sonne Seit 4.5 Mrd Jahren Fusion 66 Mrd Neutrinos/s/cm2 Ab 1964: Nachweis im Homestake-Experiment Erwartet: 1,5 Reaktionen/d Gefunden: 0.5 Reaktionen/d Solares Neutrino Problem Ab 1986 Kamiokande: Bestätigt Homestake 2002 SNO-Experiment: Prüft Neutrino-Oszillation Mögliche Erklärung: Neutrino-Oszillation Solares Neutrino Problem Gelöst!

  27. Unsichtbare Boten aus dem All - Neutrinos RUDOLF MEIER auf der Erde Die Geburt des Neutrinos (1930) Erster Nachweis (1956) von der Sonne Das solare Neutrino-Problem (1968-2002) aus dem Kosmos Die Supernova 1987a Neutrino-Observatorien

  28. Kamiokande, Super-Kamiokande Kamiokande n seit 1986 Super-Kamiokande n seit 1996 4500t Wasser Lichtdetektoren Neutrino J K J Licht L L schnelles Elektron Wasser 50000t Wasser Messung von Zeit und Richtung der Neutrino-Ereignisse

  29. Kamiokande, SK: Beginn der Neutrino-Astronomie! Kamiokande 1987: Nachweis von Neutrinos der Supernova 1987a (in 170 000 LJ Entfernung) Super-Kamiokande Neutrino-Aufnahme der Sonne

  30. Umgebungskarte der Milchstraße 23. Februar 1987: Supernova in der Grossen Maggelanschen Wolke beobachtet

  31. Ausbruch der Supernova 1987a: mit bloßem Auge gerade noch sichtbar Entdeckung: Ian Shelton am Las Campanas Observatory, Chile: 6:30 Uhr 24. Februar Letzte Beobachtung ohne Supernova: 9:30 Uhr 23. Februar Erste Beobachtung (auf Fotoplatte): 10:30 Uhr 23. Februar Neutrino-Ereignisse in Kamiokande, IMB, Baksan 7:35 Uhr 23. Februar Zeiten GMT

  32. Neutrinos von SN 1987a Größe des Signals: 11 Neutrino-Ereignisse in 13 Sekunden in Kamiokande Zum Vergleich: erwartet wird 1 Sonnenneutrino-Ereignis alle 3 Tage Sichtbares Licht: SN1987a überstrahlt alle Sterne der Mag. Wolke Gerade noch sichtbar mit bloßem Auge Neutrinos: SN1987a überstrahlt für einige Sekunden die Sonne um viele Größenordnungen! Neutrinos kommen >2h früher

  33. Stern vor Supernova Brennzonen H He C Ne O Si Fe Fe C Ne He H Masse des Eisenkerns wächst über die Grenzmasse: Kollaps des Eisenkerns

  34. Neutrinos 99% der Gravitationsenergie Kern- Kollaps 1-10 Sekunden Neutronenstern

  35. Schock- Welle 1-10 Stunden 1% der Gravitationsenergie

  36. Optisches Signal 100 Tage 0.01% der Gravitationsenergie

  37. Neutronen- Stern Neutrinos liefern wichtige Informationen zum Kern-Kollaps Heute: Neutrinodetektoren als Frühwarnsystem für Supernovae

  38. SuperNova Early Warning System Super- Kamiokande Gran Sasso Kamioka Sudbury SNO MACRO KamLAND Südpol Amanda

  39. Amanda: Neutrino-Observatorium für den Nordhimmel ... am Südpol! Neutrino

  40. Myon Cerenkov Licht Ereignis in Amanda • Amanda: Neutrino-Himmelskarte • Supernova-Frühwarn-Netzwerk • Neutrino-Punktquellen • Neutrinos höchster Energien • Heute: ein Ereignis alle 7 Stunden • Zukunft: Ice Cube Licht Detektoren Neutrino

  41. Unsichtbare Boten aus dem All - Neutrinos RUDOLF MEIER auf der Erde Neutrino zur Rettung der Energie-Erhaltung Nachweis: Reaktor-Neutrinos von der Sonne Direkter Nachweis der Fusion Neutrino-Oszillationen aus dem Kosmos Supernova-Frühwarnsystem Neutrino-Astronomie

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