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AKTUELLE EXPERIMENTE UND ERGEBNISSE ZUR NEUTRINO-OSZILLATIONFlorian SchneiderSeminar Astro- und Teilchenphysik

19. Januar 2009

INHALT

Historie der Neutrinophysik Theoretische Überlegungen zur Neutrino-

Oszillation im Vakuum Atmosphärische Neutrinos

Super Kamiokande Solare Neutrinos

Chlorexperiment von Ray Davis

Super Kamiokande

Sudbury Neutrino Observatory Reaktor Neutrinos

Double ChoozAktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

ECKDATEN DER NEUTRINO PHYSIK

1930 Pauli Postuliert Neutrino

1956 Cowan & Reines Experimenteller nachweis von Elektronantineutrinos

1957/58 Wu, Goldhaber Pariätsverletzung, ν´s sind linkshändig

1962 Lederman, Schwarz, Steinberger

Nachweis μ-Neutrinos

seit 1970 Davis,… Defizit Solarer Neutrinos

1987 Kamiokande Nachweis von SN1987a Neutrinos

1998 Super-Kamiokande Nachweis Oszillation atmosphärischer ν

2000 Donut Nachweis τ-Neutrinos

2001,2002 SNO + Super-K, Gallex Nachweis Oszillation solarer Neutrinos

2002 KamLAND Bestätigung Oszillation solarer Neutrinos

2006 K2K, Minos Bestätigung Oszillation atmosphärischer ν

Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

PAULI´S POSTULAT

1914 β- Zerfall:

YAZ 1XAZ

Erwartetes Spektrum im Vergleich zum beobachteten


PAULI´S POSTULAT

1930 Pauli postuliert das Neutrino:

Neutrino ist neutral; hat Spin ½; ist sehr leicht oder gar masselos


PAULI´S POSTULAT

ν wird zusätzlich zu dem e- während dem β- Zerfall emittiert

XAZYAZ 1


EXPERIMENTELLER NEUTRINONACHWEIS


1956: Cowan und Reines

Antineutrinoquelle:Savannah River Reaktor (USA)

nepe

Versuchsanordnung:Wassertanks A,B befinden sich zwischen den Detektoren I,II,III

Signalverzögerung zwischen Neutron und Positron Abtrennen Untergrund

ee MevE 51,0

NEUTRINOS IM TEILCHENZOO

12 Fermionen6- linkshändige Dublets

9- rechtshändige Singulets


LeptonenL

e

e

L

L

QuarksL

d

u

Lb

t

Ls

c

RRRRRRRRR btscdue ,,,,,,,, (keine in SM)R

NEUTRINO OSZILLATION

Quantenmechanik – Wellenbeschreibungfreie stabile Teilchen

Wahrscheinlichkeitsamplitude propagiert Wellenförmig in Raum-Zeit:

Teilchen 1 habe zur Zeit am Ort die Amplitude

am Ort


xptEietx 0,0,

E kp

2k

0,010t 0xLx

LptEietL 10,0, 11

NEUTRINO OSZILLATIONzwei Teilchen mit Massen , und gleicher Energie starten Phasengleich bei , in gleiche Richtung

Phasen am Ort


1m 2m0x 0t

Lx

LptEietL 10,0,1

10,0 ie

LptEietL 20,0,2

LppLptEie 2110,0

Lppii ee 2110,0

NEUTRINO OSZILLATIONfür


mE 22

221

221 mEmEpp

E

mE

E

mE

22

22

21

E

mm

2

21

22

E

m

2

2

2

1 22 0,0,

mE

Lii eetL

NEUTRINO OSZILLATIONAnnahme: 1) , werden in schw. Wechselwirkung erzeugt

2) , sind Mischungen von

Masseneigenzuständen , mit den Massen ,

entsprechend:


e e

1 2 1m 2m

21 sincos e

21 cossin

sincos1 e

cossin2 e

NEUTRINO OSZILLATIONZur Zeit wird ein erzeugt. Propagation der Masseneigenzustände , . Nach Flugstrecke L haben beide einen Phasenunterschied .


0t e1 2

21222mm

E

Lii ee

e ?1

2

Quelle Propagation Nachweis

NEUTRINO OSZILLATIONWahrscheinlichkeitsamplitude, dass am Ort ein vorliegt:


Lx

LtA e 0

21 isec

cssescc ei

e

122 ie

i ecsesc

0

1 iecs

coscsins



0

222222sin2sin

2sin2sin1

L

LecstAW i

e

2

220 5,24

eVmMeV

Em

m

EL

Wahrscheinlichkeit, dass am Ort ein vorliegt.Lx

0

22 sin2sinL

L

Einführung einer Oszillationslänge 0L

NEUTRINO OSZILLATIONVakuum Oszillation für 2 Neutrinoflavours:


NEUTRINO OSZILLATIONJetzt 3 Neutrinosorten:


ee

3

1

2

Quelle Propagation Nachweis

3

2

1

Ue

UU 1

i

iiU 3,2,1i ,,e

*

iii UU



100

0

0

0

010

0

0

0

001

1212

1212

1313

1313

2323

2323 cs

sc

ces

esc

cs

scUi

i

Mit und , , ijijs sin ijijc cos 2,1i 3,2j

3 Masseparameter3 Mischungswinkel1 Dirac-Phase

223

2121 ,, mmm

231312 ,,

NEUTRINO OSZILLATIONAmplitude für Übergang nach Strecke L:


LA 0

LU ii

i 0

i

iii

ieUU *

NEUTRINO OSZILLATIONWahrscheinlichkeit, dass ein in ein übergeht:


i ij

ijijiii

ijeUUUUUU **2* Re2

2

* i

iii

ieUU

2

AW

Mittelwert Oszillationsterm

NEUTRINO OSZILLATIONATMOSPHÄRISCHER NEUTRINOSErster Beweis


Wechselwirkung kosmischer Strahlung in der äußeren Atmosphäre

SUPER KAMIOKANDEATMOSPHÄRISCHE NEUTRINOS


50000t Wasser Cherenkov Detektor

Höhe: 40m

Ø: 40m

11146 Photomultiplier

Kamioka-Mine, Japan

1000m unter der Erde

SUPER KAMIOKANDE


n

1cos 42

Cherenkov Kegel:•Energie•Richtung•e/µ-Unterscheidung

SUPER KAMIOKANDE


Observable:

MonteCarloe

Datene

NN

NN

R

08,005,065,0 R

gemessen:

- Defizit

SUPER KAMIOKANDE


µ: scharfer Ring e: unscharfen Ring(vielfach Streuung, Em Schauer)

SUPER KAMIOKANDE


Energie-abhängiger Defizit „aufsteigen-der“ µ-Neutrinos

NEUTRINO OSZILLATIONSOLARE NEUTRINOS


eeHep 224 4 )7,26( MeV

NEUTRINO OSZILLATIONSOLARE NEUTRINOS


CHLOREXPERIMENT VON RAY DAVISSOLARE NEUTRINOS


Exposition von 380 m3 flüssigem Perchlorethylen (C2Cl4) in der Homestake-Mine (USA)

eArCle3737 MeVEs 814,0

sensitiv ab 7Be-Neutrinos

Messzeit: 1970-1994: 108 ZyklenResultat: Neutrinoereignisse pro Tag

042,0482,0

SNUR 22,056,2ˆ

SNURSSM 0,30,8

Aus Sonnenmodell erwartet

SUPER KAMIOKANDESOLARE NEUTRINOS

Solare Neutrinos:


kommen von der Sonnee

06,003,049,0exp SSMR

R

ee ee

SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY SNOSOLARE NEUTRINOS


Creighton Mine 2000 m unter der ErdeSudbury, Ontario, Canada

1000t D2O

9500 Photomultiplier

Acryl Behälter Ø 12m

Innerer Schirm, 1700t H2O

Äußerer Schirm,5300t H2O

Verifiziert durch Salt Phase

SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY SNO

Nachweis solarer 8B-Neutrinos

Folgend in Einheiten 106 cm-2s-1:


eppdexx npd

ee xx

(CC)

(NC)

(ES)

81,001,105,5

SSM

09,009,0

05,006,076,1

CC

12,012,0

23,024,039,2

ES

43,046,0

43,044,009,5

NC

ee

eCC

154,0eES

eNC

09,009,0

05,006,076,1

e

SSMe

43,046,0

43,044,009,5

45,048,0

45,045,041,3

DOUBLE CHOOZREAKTORNEUTRINOS


Reaktor disappearance Experiment:•3 flavour Neutrino Oszillation•Suche nach θ13

Chooz:

Double Chooz:

e

2,02sin 132

03,002,02sin 132

ERGEBNISSE DER EXPERIMENTE


Atmosphärische Neutrinos:(SK,…)

Beschleuniger Neutrinos:(K2K, MINOS)

Solare Neutrinos:(Homestake, Gallex, Sage, SK, SNO)

Reaktor Neutrinos:(KamLAND, CHOOZ,…)

-Oszillation

3

2

1

Ue

03,004,012

2 86,02sin

254,03,0

212 100,8 eVm

92,02sin 232

23223 100,39,1 eVm

19,02sin 132

0jm

QUELLENBerger, Elementarteilchenphysik, Springer

Simonyi, Kulturgeschichte der Physik

http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html

http://www.sno.phy.queensu.ca/

http://doublechooz.in2p3.fr/

Physikal Review D 74, 032002 (2006)

arXiv:nucl-ex/0309004 v1 6 Sep 2003

arXiv:hep-ex/0606025 v4 30 Oct 2006

http://www.astroteilchenschule.physik.uni-erlangen.de/schule2007/index.html

http://pdg.lbl.gov/


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