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V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen 5.1. Neutrinooszillationen

V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen 5.1. Neutrinooszillationen Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen: Leptonzahlen sind einzeln erhalten Neutrinos werden künstlich exakt masselos gesetzt Experiment  a) und b) verletzt!  CKM-Formalismus auch für Leptonen (Neutrinos)

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V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen 5.1. Neutrinooszillationen

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Presentation Transcript

  1. V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen • 5.1. Neutrinooszillationen • Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen: • Leptonzahlen sind einzeln erhalten • Neutrinos werden künstlich exakt masselos gesetzt • Experiment  a) und b) verletzt!  • CKM-Formalismus auch für Leptonen (Neutrinos) • Flavour-Dynamik und Leptonzahl-Dynamik • Flavour-Oszillationen und Lepton-Oszillationen genauer Neutrino-Oszillationen • CP-Verletzung auch im Neutrino-Sektor

  2. Beispiel:Betrachte nur zwei Neutrino-Sorten: • Massen-Eigenzustände1, 2Massen m1, m2 • Schwache Eigenzustände e, z.B. via     • Unitäre Transformation:   Analogon zum Cabibbo-Winkel

  3. Experimentelle Ansätze: Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen: Sensitivitätsbedingung für m2: sonst Ausschmierung durch experimentelle Auflösung nur sensitiv auf 

  4. i) DisappearanceExperimente: Quelle Detektor Fluss Qbekannt Fluss D wird gemessen ii) AppearanceExperimente: Quelle Detektor Fluss Qbekannt

  5. Neutrino-Quellen: • Kernkraftwerke • atmosphärische Neutrinos • innere Erde • aktive galaktische Kerne • Teilchenbeschleuniger • unsere Sonne • Supernovae -Quelle -Typen E / MeV L / km m2|min / eV2 Reaktor 110 0103 105 Beschleuniger 103105 102103 103 Atmossphäre 102104 0104 105 Sonne 0,110 108 1012

  6. 5.2. Solare Neutrinos Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne: Ethermisch Solarkonstante:  Neutrinosfluss auf der Erde: Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM

  7. Reaktion Abk.  (cm2 s1)  Reaktionen mit e-Produktion im SSM Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit!

  8. Spektrum solarer Neutrinos im SSM

  9. radiochemischer / geochemischer Nachweis (Schwer-)Wasser-Target  hohe Energieschwelle Flüssigszintillator-Target  niedrige Energieschwelle Experimentelle Techniken: • Nachweis von Kernumwandlungen • Realzeit-Streuexperimente • Tieftemperaturdetektoren Einheit für den gemessenen Neutrinofluss: SNU (Solar Neutrino Unit) 1 SNU  1036 -Einfänge pro Sekunde und Targetkern

  10. Das Pionier-Experiment (Ray Davis Jr., Homestake): Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos) Detektormaterial37Cl(Reinigungsmittel): Argonnachweis:-Strahlung nach K-Einfang Davis-Experiment: 500 Tonnen Detektormaterial 1-3 Reaktionen pro Monat Resultat:e-Fluss  ⅓  FlussTheorie Mögliche Gründe: • Sonnenmodell falsch? Berechneter Neutrinofluss ist extrem sensitiv auf Kerntemperatur der Sonne! • Neutrinooszillationen?

  11. Reaktion Schwelle Fluss SSM-Vorhersage 37Cl  37Ar 814 keV 2,6 SNU8,0 SNU 71Ga  71Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU e e  e e 57 MeV 2,35106 cm2s1 8B  5,7106 cm2s1 Resultate für solare e-Flüsse auf der Erde 233 keV 814 keV Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen  e-Oszillation 5 MeV

  12. Direkter Nachweis der solaren eOszillation Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Target: D2O (schweres Wasser) Schwellenenergie: 1-2 MeV  X exklusiv von 8B  8Be e e  e e W n p p p X X Z n,p n,p p,n p,n X X Z e e e e W e e Reaktionen: Charged Current (CC): Neutral Current (NC): Elastic Scattering (EC):

  13. Lösung des solaren Neutrino-Problems Vorhersage SSM

  14. Bestätigung: KamLAND-Experiment mit von Kernkraftwerken (L1001000km)

  15. 5.3. Atmosphärische Neutrinos Untergrund-Detektor ,e ,e Luftschauer Erde kosmische Strahlung (p)

  16. -Entstehung in hadronischen Luftschauern mehr positive als negative Kern in Atmosphäre kosmische Strahlung Im Detektor: Signatur Erwartung:

  17. Č-Licht e  Č-Licht  Das Pionier-Experiment:Super-Kamiokande Untergrund Wasser-Cherenkov-Detektor (Kamioka-Mine) e.m. Schauer • Juni 1998: Definitiver Nachweis von Neutrinooszillationen •  verschwinden, e werden nicht zusätzlich erzeugt • also:    oder   X • 90% C.L.: • Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)

  18. Oszillation  auf dem Weg durch die Erde ✔ -Fluss „von oben” e-Fluss wie erwartet -Fluss „von unten” zu klein

  19. Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits und Interpretation als  Oszillation

  20. atmosphärisch Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Experimenten (L250735km)

  21. Experimenteller Stand Neutrino-Oszillationen Atmosphärische Neutrinos Long Baseline -Exp. Solare Neutrinos Reaktor-Neutrinos Linien: Ausschlussgrenzen Flächen: Messungen

  22. 3 2 1 e   oder „invertiert”: Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände

  23. K(Ee) Kurie-Plot E0 Ee E0m 5.4. Experimente zur Neutrinosmasse -Zerfall:

  24. zum Spektrometer   p  Veto-Szintillator vom Zyklotron  Abbrems-Target und Signal-Szintillator Target Zerfall ruhender Pionen:

  25. im -Ruhesystem m mhad -Zerfall: had had 

  26. Neutrinolos: L  2  Majorana- E2e Endpunkts-Energie Doppel--Zerfall: • Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen? • Ist e ein massives Teilchen? • Existieren rechtshändige e-Ströme? Normal: L  0

  27.  rechtshändiger geladener Strom Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau: Majoranamasse  Chiralitätsflip oder andere neue Physik  stets folgt Existenz von Majorana- Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos):

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