Post on 07-Jan-2016
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12.01.2004 Atmosphärische Neutrinos 1
Atmosphärische Neutrinos
Vortragender: C.Oracz
Betreuer: O. Pooth
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Übersicht
• Neutrinos allgemein
• Neutrinos aus der Atmosphäre
• Identitätskrise (Oszillation)
• Detektion von Neutrinos (SuperKamiokande)
• Experimente /Ergebnisse
• Zukünftige Experimente (MINOS)
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Neutrinos allgemein1930 postuliert Pauli ein neues Teilchen: NEUTRINO
(zuerst Neutron genannt, später umgetauft) es ist neutral, sehr leicht bzw. massenlos
Neutrino wurde nötig, um Energieerhaltung beim ß-Zerfall aufrechtzuerhalten.
E M c² - M c²auch die quantenmechanische Spinbetrachtung beim ß-Zerfall verlangte ein weiteres Teilchen
n p + e + v
atom1 atom2z
_e
≤
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Atmosphärische Neutrinos
…entstehen durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre
p + N K , , …
Folgereaktionen:
µ + v (v )
K µ + v (v )
µ e + v (v ) + v (v )
Luftschauer (atmosphärische Kaskade)
Kosmische Strahlung:~99% Hadronen~ 1% Elektronen~0,1% Photonen
±±
±
±
±
±
± ±
µ
µ
µ
µ
µ µe e
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Atmosphärische Kaskade
Auf der Erde kommen Elektronen, Positronen, Photonen, atmosphärische Myonen sowie die für uns interessanten atmosphärischeNeutrinos an.
Typische v- Energie: 1 GeV
P, He
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Man misst:µ (V + V ) µ-like
Bei niedrigen Energien (alle µ zerfallen) ergibtsich ein Verhältnis von 2:1
Bei höheren Energien (nicht alle µ zerfallen)steigt der Wert auf über 2
Atmosphärische µ im Detektor als Untergrund
e (V + V ) e-like= =
e e
µ µ
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Genauere Vorhersagen der V-, V- Flüsse aus Monte Carlo Simulationen der Luftschauer (Input: µ-Flüsse)
Energiespektrum der v-Flüsse: 10 - 10 GeV
µe
-1 3
MC-berechnetes (v +v )Flusspektrum MC-berechnetes Ratio (v + v )/(v +v ) vs Eµ µ µ µ e e v
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In höheren
Bereichen
deutlichere
Unterschiede
zwischen
horizontalen/
vertikalen-
Einfall.
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Man betrachtet das Verhältnis DATA/MC des µ/e-Verhältnisses
(µ/e) DATA
(µ/e) MC
R = 1 für eine „perfekte“ Vorhersage
Neueste Ergebnisse für R (SuperKamiokande):
R = 0,638 ± 0,052 Sub-GeV Ev < 1,33 GeV
R = 0.658 ± 0,084 Multi-GeV Ev > 1,33 GeV
R<1 wird als „atmosphärische Neutrinoanomalie“ bezeichnet
V - Defizit oder V – Überschuss?
R =
µ e
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Neutrino-OszillationÜbergang V V (Flavor-Übergang)
Erzeugung Nachweis
Ist ein quantenmechanischer Effekt
Das klappt nur, wenn:
- nicht alle Neutrinos massenlos sind (m²)
- Leptonflavorzahlen nicht streng erhalten sind
Nicht mit dem bisherigen Standard-Modell vereinbar
a b
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Allgemeiner Fall: Oszillation im Vakuum
Zwei orthonormierte Systeme von v-Zuständen
Flavor-Eigenzustände
Massen-Eigenzustände
Zustände der beiden System i.A. verknüpft durch unitäre Transformation (unitäre n x n Mischungsmatrix U)
mit UU = U U= 1+ +
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Zahl der Parameter:
U hat (n-1)² unabhängige Parameter, nämlich:
n(n-1) / 2 Mischungswinkel
(n-1) (n-2) / 2 CP- verletzende Phasenn=2: 1 Mischungswinkel, keine Phase
n=3: 3 Mischungswinkel, 1 Phase
Einfachster Fall: n = 2
(V ,V ) (V ,V ) mit m² = m² - m²11 22µe
Mischungswinkel
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Übergangswahrscheinlichkeit:Flavoränderung V V (appearance of V )
Überleben von V(non-disappearance of V )
L/E-Abhängigkeit von P (V V ) und P (V V )für sin² 2 = 0.4
a
a
a
b
b
baa a
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Superkamiokande
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Messung in Superkamiokande
Cherenkov-Licht-Detektormit 50 000 t Wasser und13000 Photomultipliern ineiner Zinkmine in denJapanischen Alpen in1000m Tiefe. 40m x 42m großSeit 1.4.96 im Betrieb,12.11.2001 Störung, Betriebwieder aufgenommen am06.12.2002 (mit halber Kraft)
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Neutrino-Nachweis:
CC v + p l + X v + n l + X
l=Leptonen(eES v + e v + e v + e v + e
l l l l
l+
l
_ _ _ _
_
Messprinzip: das einfallende Neutrino wechselwirkt mit dem Tankinhalt und erzeugt je nach Flavor bei der Kollision e oder µ. Diese werden dann dank des Cherenkov-Effektes detektiert.
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Cherenkov-ZählerEin geladenes Teilchen emittiert beim durchqueren eines
Mediums mit einer Geschwindigkeit > c/n eine
charakteristische elektromagnetische Strahlung.
Grund für die Strahlung: Polarisation der Atome entlang der Bahn.
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Der Winkel zwischen der emittierten Cherenkov-Photonen und der Bahn des geladenen Teilchens beläuft sich auf:
tc/n 1 c tßc nß v
(n Brechungsindex, ß = v/c)
Aus dem Winkel kann man auch noch die Energie desTeilchens ableiten
(ähnliches Prinzip beim Mach-Kegel beim Schall)
cos = = = n
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Das Cherenkov-Licht macht gute Unterscheidung zwischen
myonenartigen und elektronenartigen Ereignis möglich.
e : elektromagnetischer Schauer: diffuser C-Ring
µ : weitaus weniger Wechselwirkung: scharfer C-Ring
e-Event µ-Event
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Cherenkov-Ringe
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PhotomultiplierIn einen Photomultiplier wird ein sehr schwachesEingangssignal stark verstärkt und messbar gemacht.
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Als erstes kommt eine Photokathode zum Einsatz, die durch denPhotoeffekt Photonen in Elektronen umwandelt. Jede dahinterbefindlich Dynode beschleunigt die erzeugten Elektronen bis zurnächsten und fügt durch Sekundäremission ein Vielfaches anElektronen hinzu. Im Normalfall ergibt sich eine Signalverstärk-ung der Größenordnung von 10 – 10 Signal gut messbar!4 7
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Vier interessante EreignistypenEreignis von oben, ganz enthalten ~1 GeV
Ereignis von oben, teils enthalten ~10 GeV
Ereignis(µ)von unten, ganz enthalten~10 GeV
Ereignis(µ)von unten, teils enthalten~100 GeV
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Einfluss des Zenitwinkels
Aufschluss darüber liefert die Untersuchung, wie das R vondem Zenitwinkel abhängt. ( ist der Winkel zwischender Flugrichtung des Neutrinos und der Vertikalen)
= 0°, von oben kommend: L = 15 km
= 180°, von unten kommend:L = 13000 km
L = 15 km ~ 13000 km Ausreichend großer Bereich um Oszillation zu untersuchen
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e-like Events
V Fluß stimmt mit der Monte Carlo Simulation überein
Kein Überschuss an Ve
e
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µ-like Events
V Fluss zeigt Defizit, für Multi-GeV bei >90° ganz deutlich
µ-Neutrinos verschwinden, e-Neutrinos bleiben gleich
Oszillation V V
Es gibt Oszillation Massendifferenz der Neutrinos!µ
µ
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Myonen „von unten kommend“
Fits für Oszillation führen zu diversen m²-Werten
gestoppte Myonendurchgehende Myonen
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Verhältnis DATA/MC als Funktion von L/E
Klares, längenabhängiges
Defizit von Myonenneutrinos
v
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Ergebnis der Oszillationsanalyse
Für v v in der sin²2;m² -Ebene
erlaubtes Gebiet (68%,90%,99%CL)
Bester fit: m² = 3,2 * 10 eV²; sin²2=1
L = 775 km E /GeV
-3
osz v
µ
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Tau-Ereignisse
Durch V V Übergänge entstehende V können
CC – Reaktionen machen
v + n + X
Aber Energieschwelle sehr hoch E = 3,46 GeV
Tau-Ereignisse sind sehr schwer zu identifizieren,
da Tau „sofort“ zerfällt
Tau- Auswahlkriterien:- multi-GeV, multi-Ring-Ereignisse- Energiereichster Ring ist e-artig ( e
µ
_
s
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Tau-Ereignis, Maximum Likelihood-Analyse
Ergebnisse der Analyse (v 2002):- gemessen: 506 -Ereignisse- erwartet: 37 CCv
+ 461 BG-Ereignisse(43.1% CCv 24,5%CCv 32,4% NC)
Es wurde eine erhöhte Anzahl-
bei großen gemessen
Konsistent mit v v
Zenitwinkel-Verteilung
e µ
z
µ
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Zukünftige Experimente
Anhand von LongBaseLine-Experimenten will man kleinere m² eingrenzen
m² = E/GeV * km/L eV²
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MINOS - Main Injektion Neutrino Oszillation Search
Sucht Vµ Vx „Disappearance“
Ferner Detektor: tracking-Kalorimeter aus Stahl,
Szintillator mit toroidalem Magnetfeld
Naher Detektor, wie fern, nur kleiner
Im Prinzip misst man das
Vorhandensein der Neutrinos
am Entstehungsort und 735km
weiter. Man erwartet 9000
Mess-Ereignisse im Jahr.
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„Lageplan“ MINOS
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Zusammenfassung
Erkenntnisse belegen die Oszillation der
atmospärischen Neutrinos; Neutrinos haben Masse!Hinweis auf Physik jenseits des
Standardmodells
Mit kontrollierteren Neutrinostrahlen will man weitere Erkenntnisse sammeln
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Anhang - Zusatzbilder
Atmosphärische Kaskade Zerstörte Photomultiplier im Superkamiokande
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Superkamiokande