Post on 01-Sep-2019
Wdh: Solar Neutrino Problem
Frage:SSM falsch oder verschwindendie Neutrinos auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde?
• Annahme: n=2 νe, νµ ↔ ν1, ν2
• 2 unbekannte Parameter: ∆m2 = m1
2 – m22 und sin2(2Θ)
• Oszillationswahrscheinlichkeit:
P(νe → νµ ) = sin22Θ · sin2( )
• KARMEN – Experiment (L = ca. 20m,E < 60MeV) am Rutherford-Lab sieht keinen Hinweis für Oszillationen
⇒ Θ klein⇒ ∆m2 klein
1.27 ∆m2 LE
Wdh.: Ausschließungs – Plots
]eV[mMeV][48.2m][ 22∆
⋅= νELvac
osz
NC
ES- Niedrige Statistik - I.w. möglich mit νe, aber auch νµ, ντ : ε = (νµ+ντ)/νe = 15.4%- Sehr starke Richtungs-Abhängigkeit von Sonne
- Gute Bestimmung des Energie-Spektrums- Nur Elektron - Neutrinos- Keine Richtungsabhängigkeit von der Sonne
- Alle 3 Neutrino-Sorten gleich wahrscheinlich- Sensitiv für totalen 8B - Neutrino-Fluss
CCNeutrino - Reaktionen in SNO
−++→+ eppdeν
XX npd νν ++→+
−− +→+ ee XX νν
−− +→+
+→+
eeHdnγγ
γ3
Energie
Richtung
Radius
Messgrößen bei SNO
Aufgrund unterschiedlichen Ver=haltens der drei möglichen Wwen(CC, NC, ES) für diese Messgrößenist eine Separierung möglich!
des Čerenkov-Lichts.
CC 1967.7 +61.9+60.9
+26.4+25.6ES 263.6+49.5+48.9NC 576.5#E
VE
NT
S
5 6 7 8 9 10 11 12 13
Eve
nts
per
500
keV
0
100
200
300
400
500
600
20→
NC + bkgdneutrons
ES
CC
Bkgd
(c)
(MeV)effT
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
Eve
nts
per
0.1
wid
e bi
n
0
100
200
300
400
500
CCNC + bkgd neutrons
ES
Bkgd
Fidu
cial
Vol
ume
(b)
3
)AV(R/R-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Eve
nts
per
0.05
wid
e bi
n
0
20
40
60
80
100
120
140
160
sunθcos
ESCC
NC + bkgd neutrons
Bkgd
(a)
Ergebnisse (SNO)Anpassung der CC- NC- undES - Flüsse an gem. Spektren
306.4 Tage!
Ergebnisse (SNO)Flüsse Φ in Einheiten 106 /cm2 / sec
Φ (νe) = 1.76 ± 0.10 Φ (νµ τ) = 3.41 ± 0.65ΦSNO (tot) = 5.17 ± 0.66S
N O
ΦSSM (tot) = 5.05 +1.01-0.81
Übereinstimmung !
• SNO - Ergebnis zeigt zum ersten mal, dass der Neutrino - Fluss von der Sonne nicht nur aus Elektron-Neutrinos besteht
• gemessener SNO - Gesamtfluss aller Neutrino-Flavors ist im Einklang mit dem SSM
• Einzige Erklärung: Elektron - Neutrinos oszillieren in Myon- / Tau - Neutrinos
0 1 2 3 4 5 60
1
2
3
4
5
6
7
8
)-1 s-2 cm6
(10eφ
)-1
s-2
cm
6 (
10τµφ SNO
NCφSSMNCφ
SNOCCφSNO
ESφ
Ergebnisse (SNO)ΦSNO (tot) = ( 5.17 ± 0.66 ) 106 / cm2 / secΦSSM (tot) = ( 5.05 ) 106 / cm2 / sec+1.01
-0.81
Nur SNO - Daten Alle Experimente
log(tan θ)
log(
∆m /
eV )
2
2
2
90% CL
95% CL
99% CL
99.73% CL
LMA
LOW
VAC
SMA
(a)
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-4 -3 -2 -1 0 1log(tan θ)
log(
∆m /
eV )
2
2
2
90% CL
95% CL
99% CL
99.73% CL
LMA
LOW
(b)
-12
-11
-10
-9
-8
-7
-6
-5
-4
-4 -3 -2 -1 0 1
Zusammenfassung Sonnen - Neutrinos
∆m2 = 5·10-5 eV2
tan2Θ = 0.34 (Θ=0.30° ) LMA - Lösung
Der Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein- (MSW) Effekt
• LMA-Lösung unter Annahme des sog. MSW-Effektes = resonanzartige Oszillation in Materie (z.B. im Innern der Sonne / Erde)
• Kann erklärt werden durch Nichtvorhandensein von Myonen, Taus in normalerMaterie und der unterschiedlichen WW von νe und νµ,τ mit Elektronen
dieser Term existiert nur für νe !
• Mischungsmatrix für Zeitentwicklung, die diesen Effekt mit einbezieht :
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−Θ∆
Θ∆
Θ∆
+Θ∆
−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
τµτµ νν
νν
,2
22
222
, 22cos2
sin2
sin2
22cos2
21 e
eF
eFe
nGEm
Em
EmnG
Em
ti
GF: Fermikonst. 1.2·10-5GeV2
ne: Elektronendichte
Der MSW - Effekt
• Im Vakuum ne=0, dann Zeitentwicklung der normalen Mischungsmatrix
• Resonanz-Effekt für Oszillation falls
weil dann die Diagonalelemente (νe → νe) der Matrix ≈ 0 und somit nurnoch Übergänge der Art νe → νµ,τ möglich sind
• Resonanzeffekt sehr unwahrscheinlich, falls konstante Dichteverteilung(sog. fine tuning)
• Sonnenneutrinos werden im Kern der Sonne erzeugt und durchlaufen eine variierende Dichteverteilung⇒ an gew. Stelle wird Resonanzbedingung erfüllt (falls adiabatische
Dichteänderung)
• Sonnenneutrino-Daten, insb. LMA-Lösung kommen ohne MSW-Effektnicht aus!
eF nGEm 22cos
2
2
≈Θ∆
KAMLAND (Japan)
Reaktor:νe
Ev≈1÷10MeV
Verschwinden von νe?
Distanz der Reaktoren<L>
1000t Flüssig-Szintillator
Disappearance von Reaktor-Neutrinos
KAMLANDTest der LMA-Hypothese, die von solaren Neutrinos stammt
<E> ≈ 5 MeV∆m2 (LMA) ≈ 5·10-5 eV2
⇒Base Line <L> ≈ 150km
Detektor in dieser Ent=fernung von Reaktoren⇒ Japan ideal!
]eV[mMeV][48.2m][ 22∆
⋅= νELvac
osz
KAMLAND-Messprinzip
Nachweis in Kamland:
epen ν−→
nepe+→ν
γdnp → verzögert2.2 MeV
PromptSzintillation plus AnnihilationE(ν)-0.77MeV
Erzeugung im Reaktor:
ca.200µs
fast ident. Spektrum,aber feste Zeitdifferenz ident. Neutrino-Event!
Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 021802
KAMLAND-Ergebnis (2)
- Alte Experimente nicht sensitiv für LMA-Oszillationen- KAMLAND in guter Übereinstimmung mit LMA!
Zusammenfassung NeutrinosZusammenfassung Neutrinos
• Neutrino – Oszillationen eindeutig bestätigt !
• Neutrinos besitzen folglich eine Masse ungleich Null !
• Atmosphärische Neutrinos: νµ → ντ
• Sonnen-Neutrino-Problem nach 30 Jahren gelöst: νe → νµ,τ
• Reaktor-Neutrino-Disappearance: νe → νµ,τ
Blick zur Sonne mit Neutrino-Strahlung
1999
2001
2003
Offene Fragen (u.a.)
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛−
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
−=
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛ −
3
2
1
1212
1212
1313
1313
2323
2323
10000
0010
0
00
001
ννν
ννν
δ
δ
τ
µ cssc
ces
esc
cssc
i
ie
• Exakte Bestimmung der Matrixelemente, v.a. unbekannte s13 und δ
θatmθsolar?
Atmosphärische ν‘s Sonnen ν‘s
• Suche nach CP-Verletzung im Neutrinosektor )()( µµ νννν →≠→ ee PP
• Absolutes Neutrino-Massenspektrum, Oszillationen geben nurAufschluß über Massendifferenzen – Welches Massenschema?
• Suche nach möglichen neuen Neutrinosorten: sterile Neutrinos
MiniBoone
!ee KEINEe νννµ
νµπ
µ
µ
++
++
→
→
LSND hat Überschuss von 32.2 ±9.4 νe - Ereignissen gesehen
• KARMEN – Experiment (FZK!) kann einen großen Teil des erlaubten LSND-Parameterraums (∆m2, sin22Θ) ausschließen!
• Am FNAL-Booster (p auf Be-Target), sog. Short Base Line ExperimentL = ca. 450 m
• Bestätigung / Widerlegung des LSND-Signals für Neutrino-Oszillation νµ → νe
MiniBoone (2)
• Erlaubte Gebiete für (∆m2, sin22Θ)⇒ großer Wert für ∆m12
2 > 10-1 eV2
• Atm. Neutrinos: ∆matm2 ≈ 2.5·10-3 eV2
Sonnen Neutrinos: ∆msolar2 ≈ 7.5·10-5 eV2
LSND in Widerspruch mit diesen Werten,da für 3 Neutrino-Flavors nur 2 unabhängigeWerte für ∆m2 möglich sind!
∆m12
∆m2332
1
• Interpretation: Oszillation bei Vorhandensein eines 4. Neutrinos,das als steril (d.h. in der schwachen WW nicht beobachtbar) angesehen wird
• Oder: Messfehler !Aufklärung 2005. Dann erste Ergebnisse von MiniBoone
∆m13
Long Baseline Experimente
• Bis auf LSND war Suche nach Oszillationen an Beschleunigern bisher nicht erfolgreich
• Oszillationslänge L ∝ 1/∆m2 , d.h. großes L entspricht kleinem ∆m2
• Suche nach νµ → ντ – Appearance, d.h. eindeutiger Nachweis der Tau-Neutrinos
Weltweit 3 Projekte, K2K bereits in Betrieb!
>1·10-37305
1.5
GranSasso(ICARUS)(OPERA)
≈ 17CERN(2006)
>2·10-373050
Soudan2(MINOS)
≈ 11FNAL(2004)
>2·10-325050
Super-K(K2K)
≈ 1.4KEK(1999)
νµ-Quelle Εν [GeV] Detektor Masse[kt] L[km] ∆m2[eV2]