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Solare Neutrinos

Solare Neutrinos. Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004. Allgemeine Gliederung. Grundlegende Informationen Neutrinoentstehung in der Sonne Bisherige Nachweisversuche Das Neutrinoproblem Aktuelle und zukünftige Experimente. Grundlegende Informationen.

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Presentation Transcript

  1. Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004

  2. Allgemeine Gliederung • Grundlegende Informationen • Neutrinoentstehung in der Sonne • Bisherige Nachweisversuche • Das Neutrinoproblem • Aktuelle und zukünftige Experimente

  3. Grundlegende Informationen

  4. Grundlegende InformationenDer β-Zerfall • Endeckung: Becquerel (1900, Nobelpreis 1903) Hypothese: Probleme dieser Theorie: Kontinuierliches Elektronenspektrum Energie-, Impuls-, Drehimpulserhaltung verletzt

  5. Grundlegende InformationenMögliche Erklärungsversuche • Mehrere Energieniveaus im Kern, Zerfall in angeregten Zustand Problem: Keine γ-Strahlung beobachtet • Energieerhaltung modifizieren: Evtl. EAnfang≥EEnde

  6. Grundlegende InformationenPaulis Hypothese • Grundlegend neuer Ansatz: Neues Teilchen als „Bilanzfälschung“ des β-Zerfalls Neutrino („kleines Neutrales“) Eigenschaften: Spin: ½, keine Masse, keine Ladung, keine Wechselwirkung

  7. Grundlegende InformationenEigenschaften der Neutrinos

  8. Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Cowan

  9. Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Cowan • Das Savannah-River-Experiment • Unterirdisch • 12m unterhalb eines Kernreaktors • Nachweis der γ-Quanten mit Photomultipliern • Nachweis der Neutronen mit Cadmium

  10. Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Cowan

  11. Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Cowan • Maximale Verzögerung zwischen Annihilation und Neutroneneinfang: 10µs

  12. Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Cowan • Bei Signal: • 1.) 1. Signal von Positron? • 2.) 2. Signal von Neutron? • 3.) Signal von umgekehrtem β-Zerfall • 4.) Ausschluss anderer Signalquellen

  13. Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Cowan Nobelpreis 1996 für Reines

  14. Neutrinoentstehung in der Sonne

  15. Neutrinoentstehung in der SonneDer pp-Zyklus • Der pp-Zyklus liefert 98,4% der solaren Energie: 99,75% Eν≤0,42MeV 0,25% Eν=1,44MeV 2,4*10-5% Eν≤18,77MeV 86% 14% 14% 0,02% 90%: Eν=862keV 10%: Eν=384keV Eν≤14,06MeV

  16. Neutrinoentstehung in der SonneDer CNO-Zyklus

  17. Neutrinoentstehung in der SonneDas Neutrinospektrum

  18. Neutrinoentstehung in der SonneDas Neutrinospektrum

  19. Bisherige Nachweisversuche

  20. Bisherige NachweisversucheEine neue Einheit • Zur Beschreibung der Einfangraten wird neue Einheit eingeführt: 1 SNU (solar neutrino unit) =10-36 Einfänge pro Sekunde und Targetatom

  21. Bisherige NachweisversucheDas Homestake-Experiment • Aufbau 1968 von R. Davis, erstes Experiment zum Nachweis von Neutrinos • Einfangreaktion: • Nachweisreaktion:

  22. Bisherige NachweisversucheDas Homestake-Experiment • Aufbau: • Homestake-Goldmine, South Dakota • Abschirmtiefe 1478m (4100mwe) Φµ=4m-2d-1 • 615t Perchlorethan C2Cl4, n(37Cl)/n(Cl)=0,24 →2,2*1030 Targetatome

  23. Bisherige NachweisversucheDas Homestake-Experiment • Die Extraktion des Argon: • Ausspülen des Argon mit Helium • Abkühlung mit Stickstoff  Kondensation

  24. Bisherige NachweisversucheDas Homestake-Experiment • Befüllung von speziellen Zählrohren mit dem gewonnenen Argon unter extrem schwerer Bleiabschirmung • Bestimmung der gewonnenen Argonmenge durch den Rückzerfall τ≈35d

  25. Bisherige NachweisversucheDas Homestake-Experiment • Schwellenenergie: 7Be, 8B, pep, hep – Neutrinos werden detektiert

  26. Bisherige NachweisversucheDas Homestake-Experiment • Mittlere Zählrate gemittelt über die letzten 25 Jahre: • Der theoretische Wert nach dem Standard-Sonnen-Model beträgt:

  27. Bisherige NachweisversucheGallex und GNO • GALLium EXperiment und Gallium Neutrino Observatory • Messungen: 1991-1997 (Gallex) 1998-2000 (GNO) • Einfangreaktion: • Nachweisreaktion:

  28. Bisherige NachweisversucheGallex und GNO • Aufbau: • Gran Sasso Underground Laboratory Italien • Abschirmtiefe: 3300mwe • 30,3t Gallium in 101t GaCl3-HCl

  29. Bisherige NachweisversucheGallex und GNO • Bestimmung des Ge-Gehalts: 2GeCl4 wird in Wasser eingeleitet: → GeH4 Bestimmung des Ge-Zerfalls (τ=16,5 d) mit Hilfe von Proportionalzählrohren

  30. Bisherige NachweisversucheGallex und GNO • Schwellenenergie für Galliumexperimente: 0,233MeV  Alle solaren Neutrinos können detektiert werden

  31. Bisherige NachweisversucheGallex und GNO • Mittlere Zählrate gemittelt über 7, bzw. 3 Jahre Messzeit: • Der theoretische Wert nach dem Standard-Sonnen-Model beträgt:

  32. Bisherige NachweisversucheKamiokande • Kamioka Neutrino Detektor Experiment, erstes Echtzeit-Experiment • Messungen: 1987-1995 • Einfangreaktion: • Nachweis des Cherenkov-Lichtes der Elektronen

  33. Bisherige NachweisversucheKamiokande • Aufbau: • Kamioka mine (200 km westlich Tokio) • Abschirmtiefe: 1000m (2700mwe) • 3000t H2O, 948 PMTs

  34. Bisherige NachweisversucheKamiokande • Detektion des Cherenkov-Lichtes: • Streuung eines Neutrinos an einem Elektron  Elektron emittiert Cherenkov-Licht  Detektion über die PMTs • Keine Kernreakion sondern Streuung  Sensitiv für alle Neutrinoflavours σ(νµ)≈ σ(ντ)≈ 0,15*σ(νe) n e

  35. Bisherige NachweisversucheKamiokande •  Informationen über • Einfallwinkel • Neutrinoenergie • Zeitlicher Verlauf • Energieschwelle: 6,75 MeV, nur 8B und hep-Neutrinos • Gemessener Neutrinofluss:

  36. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande • Super-Kamioka Neutrino Detektor Experiment • Messungen: 1996-2001 • Einfangreaktion: • Nachweis des Cherenkov-Lichtes der Elektronen

  37. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande • Aufbau: • Kamioka mine (200 km westlich Tokio) • Abschirmtiefe: 1000m (2700mwe) • 50000t H2O, 11146 50cm-PMTs

  38. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande • Energieschwelle: 4,75 MeV, nur 8B und hep-Neutrinos • Gemessener Neutrinofluss:

  39. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande

  40. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande 3-dimensionale Simulation der Events: scharf begrenzter Kreis: Myon, verwaschener Kreis: Elektron

  41. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande

  42. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande • Der Unfall: 12.11.2001, 11:01:30: Ein PMT implodiert durch eine Kettenreaktion werden 6665 PMTs zerstört

  43. Bisherige NachweisversucheSuper-Kamiokande • Wiederaufbau bis 2006, 25M$ • Seit Ende 2003 vorsichtige Wiederaufnahme des K2K-Experiments

  44. Bisherige NachweisversucheDas Neutrinospektrum

  45. Das Neutrinoproblem

  46. Das Neutrinoproblem • Erste Diskrepanz zwischen Vorhersage und Messung 1968 beim Homestake-Experiment, danach bei allen anderen durchgeführten Versuchen, etwa derselbe Faktor.

  47. Das NeutrinoproblemErklärungsversuche

  48. Das NeutrinoproblemErklärungsversuche

  49. Das NeutrinoproblemErklärungsversuche • Schon 1969: Theorie der Neutrinooszillation von Vladimir Gribov und Bruno Pontecorvo

  50. Das NeutrinoproblemNeutrinooszillation • Zunächst: Nur 2 Neutrinos im Vakuum • Beschreibung identische mit jener von z.B. Wobei θV der Vakuummischungswinkel ist. νe,µ sind die Flavour-Eigenzustände und ν1,2 die Masseneigenzustände. Dann folgt für die zeit. Entwicklung der Neutrinos:

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