Dein Freund, das Neutrino

AG AstrophysikOlbers Gesellschaft Bremen e.V.

13. Februar 2013

Was ist ein Neutrino?

Ein Teilchen mit extrem kleiner Masse !

Proton: 2 x10-24 g

(0.0000000000000000 00000002

Gramm) Elektron: 2000 mal leichter als Proton

Was ist ein Neutrino?

Neutrino: 1 Million mal leichter als

Elektron !

Masse proportional zu Radius3

Elektron: 2000 mal leichter als Proton

Was ist ein Neutrino?

Was ist ein Neutrino ?

• Starke Kernkraft

• Schwache Kernkraft

• Elektromagnetische Wechselwirkung

• Gravitation

Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen:

Was ist ein Neutrino ?Ein Teilchen mit extrem schwacher Wechselwirkung

- keine elektrische Ladung -

• Starke Kernkraft

• Schwache Kernkraft

• Elektromagnetische Wechselwirkung

• Gravitation

Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen:

Neutrinos spüren nur die schwache WW und Gravitation

Ein Teilchen mit extrem schwacher Wechselwirkung

- keine elektrische Ladung -

Was ist ein Neutrino ?

Jede Sekunde gehen 1014 Neutrinos (von der Sonne)

durch Ihren Körper

…das sind ca. 70 Milliarden Neutrinos pro Sekunde durch Ihren Daumennagel !

…aber nur ein Dutzend Neutrinos wechselwirken auf dem Weg durch die Erde mit einem Atomkern. Aus

diesem Grund sind Neutrinos auch so schwer nachzuweisen.

Wie schwach ist schwach ?

SuperKamiokande (Japan) 50 000 t Wasser

Wie schwach ist schwach ?

SuperKamiokande (Japan) 50 000 t Wasser

Jede Sekunde gehen 1018 Sonnenneutrinos

durch SuperKamiokande

Wie schwach ist schwach ?

SuperKamiokande (Japan) 50 000 t Wasser

Jede Sekunde gehen 1018 Sonnenneutrinos

durch SuperKamiokande

Nur 14 Neutrinos können pro Tag nachgewiesen

werden

Wie schwach ist schwach ?

IceCube

IceCube

Wie entdeckte man Neutrinos ?1930: Rätsel der fehlenden Energie beim Beta-Zerfall

ν

Wie entdeckte man Neutrinos ?1930: Rätsel der fehlenden Energie beim Beta-Zerfall

• 1930: Wolfgang Pauli postuliert Neutrino (“Neutron”) um Energieerhaltung im Betazerfall zu garantieren.

• 1933: Enrico Fermi entwickelt Theorie des Betazerfalls und führt den Namen “Neutrino” ein.

• 1956: Experimentielle Entdeckung durch Frederick Reines und Clyde Cowan an einem Kernreaktor.

• 1969: Messung von Sonnenneutrinos durch Ray Davis

• 1998, 2002: Nachweis von Neutrinooszillationen durch SuperKamiokande, SNO und KamLAND → Neutrinos haben Masse

Wie entdeckte man Neutrinos ?

Neutrino-Astronomie

Vorteile:•Direkter Blick in Sonne, Erde und galaktisches Zentrum•Unbeeinflußt von Magnetfeldern und kosmischen Hintergrund•Effektive Abschirmung durch hohe Eindringtiefe

Neutrino-Astronomie

Nachteile:•Detektion sehr schwierig•Störender Hintergrund aus Sonnenneutrinos

Neutrinos von der Sonne

“Neutrinofoto” vom Inneren der Sonne, aufgenommen vom SuperKamiokande Neutrinodetektor

Boten aus dem Inneren der Sonne

Die Anzahl der Sonnenneutrinos/Sekunde ist proportional zu T20

Durch Messung der Sonnenneutrinos kann mandie Temperatur im Inneren der Sonne

auf 1% genau bestimmen:

T = 16 000 000 oC (± 1%)

Neutrinos aus dem KosmosSupernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke

Boten aus dem Inneren der Supernova

Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke

99% der Energie einer SN wird in Form von

Neutrinos abgegeben !!

~ 30 Neutrinos von SN1987A wurden in

Kamiokande und IMB nachgewiesen, und zwar 3 Stunden vor

dem Licht !!

Neutrino-Entkopplung

t < 1sT > 1010 K

Neutrinos befinden sich mit dem Plasma im Gleichgewicht.

Neutrinos wechselwirkenmit anderen Teilchenaufgrund der extremenBedingungen.

Neutrinohintergrundt = 1sT = 1010 K

Neutrinos sind nichtmehr mit dem Plasma im Gleichgewicht.

Die Geschichte der ersten Neutrinos verläuftvon nun an unabhängig vom Rest der Materie.

Photonen-Entkopplung

t < 380.000 Jahre:Photonen und Elektronen befinden sich im

thermischen Gleichgewicht.

t > 380.000 JahreDas Universum wird transparent.

Die freien Photonen desUrknalls machen sich heuteals Mikrowellenhintergrund

bemerkbar.

Ein Vergleich

Entkopplung = 1s

Heute:T = 1,9 K

N = 339 Neutrinos / cm3

Entkopplung 380.000 Jahre

Heute:T = 2,7 K

N = 400 Photonen / cm3

Derzeitige Grenze desbeobachtbaren Universums:

380.000 Jahre

Verschiebungder derzeitigen

Beobachtungsgrenzedurch primordiale

Neutrinos möglich?1s

Majorana-NeutrinosVielleicht ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen!Neutrinoanzahl (“Leptonzahl”) wäre nicht erhalten.

Ettore Majorana 1937

Majorana-Neutrinos

Ettore Majorana 1937

Vielleicht ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen!Dann muss der „neutrinolose doppelte Betazerfall”

messbar sein : Experiment GERDA

Teilchen und AntiteilchenTeilchen mit identischen Eigenschaften (z.B. Masse)

aber umgekehrte elektrische Ladung: z.B.:

Elektron (-) ↔ Positron (+) Proton (+) ↔ Antiproton (-)

Teilchen und AntiteilchenTeilchen mit identischen Eigenschaften (z.B. Masse)

aber umgekehrte elektrische Ladung: z.B.:

Elektron (-) ↔ Positron (+) Proton (+) ↔ Antiproton (-)

Teilchenanzahl - Antiteilchenanzahl =

konstant (Ladungserhaltung)

Teilchen und AntiteilchenTeilchen mit identischen Eigenschaften (z.B. Masse)

aber umgekehrte elektrische Ladung: z.B.:

Elektron (-) ↔ Positron (+) Proton (+) ↔ Antiproton (-)

Die Entstehung der MaterieKurz nach dem Urknall gab es (fast) gleichviel

Materie und Antimaterie10 000 000 002 10 000 000 000

Teilchen Antiteilchen

Teilchen

2

Die Entstehung der MaterieKurz nach dem Urknall gab es (fast) gleichviel

Materie und Antimaterie

Wenn Neutrinos Majoranateilchen sind, könnten sie dafür verantwortlich sein, dass es im frühen Universum zu einem kleinen Ungleichgewicht zwischen Teilchen und Antiteilchen kam.

Superschwere Neutrinos: zerfallen etwas öfter in Teilchen als in Antiteilchen.

Die Entstehung der Materie

...ein quantenmechanischer Effekt, der nur auftreten kann, wenn Neutrinos Masse haben.

Beobachtungen von Neutrinooszillationen liefern den Beweis, dass Neutrinos Masse

haben !Dies steht im

WIDERSPRUCH zum Standardmodell der Teilchenphysik, welches

das Neutrino als masselos vorhersagt !!

Neutrinooszillationen

o Gibt es Neutrino-Oszillationen wirklich ?o Sind die Messungen der Sonnen- und

Supernova-Neutrinos eigentlich vertrauenswürdig ?

o Hat das Neutrino denn nun wirklich eine eindeutige Masse ?

o Sind gefilterte Messdaten ohne Offenlegung der Rohdaten und Filtermechanismen überhaupt wissenschaftlich seriös ?

Aber…Vorsicht !

Erkenntnisgewinno Funktion der Sonneo Funktion des Erddynamoso Verständnis der Supernovaeo Einblick ins Zentrum der Galaxieo Verständnis der dunklen Materieo Verständnis des Urknallso Klärung des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichtso Entdeckung des Ursprungs der kosmischen

Strahlungo Einblicke in die natürlichen Teilchenbeschleuniger

des Universums

Praxis: gute Ideen

Reaktorüberwachung durch Anzahl und Energie der Neutrinos

Tomografie der Erde

Wärmeerzeugung durch Zerfälle von Uran- und Thorium

Untersuchung des Erddynamos

SNEWS – Supernova Early Warning System

Neutrinokommunikation mit U-Booten

Neutrinoerdölsuche

Galaktische Neutrinokommunikation

Zeitsynchronisation über galaktische Distanzen

Praxis: Verrückt, aber theoretisch machbar

Danke für Ihre Aufmerksamkeit !