Post on 05-Apr-2015
V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen
5.1. Neutrinooszillationen
Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen:
a) Leptonzahlen sind einzeln erhalten
b) 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
Beispiel: Betrachte nur zwei Neutrino-Sorten:
Massen-Eigenzustände 1, 2 Massen m1, m2
Schwache Eigenzustände e, z.B. via
Unitäre Transformation:
2
1
μ
e
νν
θcosθsinθsinθcos
νν
μ
e
2
1
νν
θcosθsinθsinθcos
νν
Analogon zum Cabibbo-Winkel
Experimentelle Ansätze:
Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen:
222
12
eVmδ
1
MeVE
mL
mδ
4
E
L1
2
ΔO
Sensitivitätsbedingung für m2: 2E
Lexp mδ
4σ
sonst
θ2sinθ2sinδmsin)νP(ν
22122
E4L2
ba
Ausschmierung durch experimentelle Auflösung
nur sensitiv auf
i) DisappearanceExperimente:
ii) AppearanceExperimente:
Quelle Detektor
aν aνFluss Q bekannt Fluss D wird gemessen
? QD
Quelle Detektor
μν XτNν τ
Fluss Q bekannt
,νμν πντ
μτ
τ
Neutrino-Quellen:
• Kernkraftwerke• atmosphärische Neutrinos• innere Erde• aktive galaktische Kerne
• Teilchenbeschleuniger• unsere Sonne• Supernovae
-Quelle -Typen E / MeV L / km m2|min / eV2
Reaktor 110 0103 105
Beschleuniger 103105 102103 103
Atmossphäre 102104 0104 105
Sonne 0,110 108 1012
eν
μμ ν,ν
eeμμ ν,ν,ν,ν
eν
Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne:
thermische4 Eν2Hee2p4
MeV 14,26E
MeV 59,0E
thermisch
eν2
Ethermisch Solarkonstante: 1211 s cm MeV 105,8S
Neutrinosfluss auf der Erde:
1210
21ν s cm 105,6
MeV 14,26
S
Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM
5.2. Solare Neutrinos
Reaktionen mit e-Produktion im SSM
Reaktion Abk. (cm2 s1)
eνedpp
eνdpep
e43 νeHepHe
γνLieBe e77
e88 νeBeB
e1313 νeCN
e1515 νeNO
e1717 νeOF
pp
pep
hepBe7
B8
N13
O15
F17
101099,5 81042,1 31093,7 91084,4 61069,5 81007,3 81033,2 61084,5
%1%2%16
%11
%16%30
%31%52
Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit!
Spektrum solarer Neutrinos im SSM
Experimentelle Techniken:
a) Nachweis von Kernumwandlungen
b) Realzeit-Streuexperimente
c) Tieftemperaturdetektoren
radiochemischer / geochemischer Nachweis
(Schwer-)Wasser-Target hohe Energieschwelle
Flüssigszintillator-Target niedrige Energieschwelle
Einheit für den gemessenen Neutrinofluss:
SNU (Solar Neutrino Unit)
1 SNU 1036 -Einfänge pro Sekunde und Targetkern
Detektormaterial 37Cl (Reinigungsmittel):
Argonnachweis: -Strahlung nach K-Einfang
Davis-Experiment: 500 Tonnen Detektormaterial 1-3 Reaktionen pro Monat
Resultat: e-Fluss ⅓ FlussTheorie
Mögliche Gründe:
MeV 81,0E füreArνCleν
37e
37
Strahlung-γνCleAr e37
K37
Sonnenmodell falsch? Berechneter Neutrinofluss ist extrem sensitiv auf Kerntemperatur der Sonne!
Neutrinooszillationen?
Das Pionier-Experiment (Ray Davis Jr., Homestake):Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)
Resultate für solare e-Flüsse auf der Erde
Reaktion Schwelle Fluss SSM-Vorhersage
37Cl 37Ar 814 keV 2,6 SNU 8,0 SNU
71Ga 71Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU
e e e e 57 MeV 2,35106 cm2s1 8B 5,7106 cm2s1
814 keV233 keV
5 MeV
Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen
e-Oszillation
Direkter Nachweis der solaren eOszillation
Sudbury Neutrino Observatory (SNO)Target: D2 O (schweres Wasser)
Schwellenenergie: 1-2 MeV X exklusiv von 8B 8Be e e
Reaktionen:
Charged Current (CC):
Neutral Current (NC):
Elastic Scattering (EC):
eppdνe
XX νnpdν
eνeν XX
e eWn p
p p
X XZn,p
p,nn,pp,n
eX
Ze
X
ee W
ee
)ν( eCC
)ν,νν()ν( τμeeNC
)ν,νν()ν( τμe132
eEC
Lösung des solaren Neutrino-Problems
SNO,CC
SNO,NC
SNO,ECKamiokande,EC
Vorhersage SSM
Bestätigung: KamLAND-Experiment
ee ννP mit von Kernkraftwerken ( L 1001000 km )eν
km180LL0
Erde
kosmische Strahlung (p)
Luftschauer
,e
,e
Untergrund-Detektor
5.3. Atmosphärische Neutrinos
-Entstehung in hadronischen Luftschauern
,K,πNp mehr positive als negative
kosmische Strahlung
Kern in Atmosphäre
μe ννeμνμK,π
μe ννeμνμK,π
Erwartung:
2)ν(N)ν(N
)ν(N)ν(N
ee
μμ
1)ν(N
)ν(N
μ
μ 1)μ(N
)μ(N
)ν(N
)ν(N
e
e
Im Detektor: Xμ,XeNν μe,
Signatur
Das Pionier-Experiment: Super-Kamiokande
Untergrund Wasser-Cherenkov-Detektor (Kamioka-Mine)
Č-Licht eČ-Licht
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)
90,0θ2sineV100,3mΔeV109,1
atm2
232atm
23
Oszillation auf dem Weg durch die Erde
e-Fluss wie erwartet-Fluss „von unten” zu klein
-Fluss „von oben” ✔
Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits
und
Interpretation als Oszillation
Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger-
Experimenten ( L 250735 km )
km735L
atmosphärisch
km250L
Experimenteller Stand Neutrino-Oszillationen
Linien: Ausschlussgrenzen
Flächen: Messungen
Solare NeutrinosReaktor-Neutrinos
Atmosphärische NeutrinosLong Baseline -Exp.
Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände
23eV104,2
25 eV106,7 e
1
2
3
oder „invertiert”:
-Zerfall: e33 νeHeH
21
e02ν
2e0e EEmEEEK
E0 Ee
Kurie-Plot
K(Ee)
E0m
.l.c %95eV2m eν
5.4. Experimente zur Neutrinosmasse
Zerfall ruhender Pionen: μνμπ
2μ
2μπ
2μ
2π
2ν mpm2mmm
μ
.l.c %90eV190m μν
p
vom Zyklotron
Target
zum Spektrometer μp
Veto-Szintillator
Abbrems-Target und Signal-Szintillator
-Zerfall: π3ντ,ππ5ντ τ0
τ
.l.c %95MeV2,18m τν
had had
2ντ
2ν
2ντ
2ν
2τ
2had )mm(pmm2mmm
ττττ
im -Ruhesystem
maxhadτν mmmτ
m mhad
hadmd
dN
maxhadm
Doppel--Zerfall: Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen?
Ist e ein massives Teilchen?
Existieren rechtshändige e-Ströme?
E2e
e2Ed
dN
Endpunkts-Energie
Normal: L 0 eν2e22Z,AZ,A
Neutrinolos:
L 2 Majorana-
e22Z,AZ,A
Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau:
LW
LW
d
d u
u
Le
Le
Rν
LννLL mA
Majoranamasse Chiralitätsflip
LW
RW
d
d u
u
Le
Re
Rν
RνLRA
rechtshändiger geladener Strom
Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos):
eV11,0 m ββ
oder andere neue Physik stets folgt Existenz von Majorana-