Der Super-Kamiokande Detektor(Kamioka Nuclear Decay Experiment)

Hauptseminar SoSe 2008

“Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik”

Vortrag am 26.6.2008von Michael Renner

Übersicht

● Grundlagen Neutrino-Oszillationen

● Super-Kamiokande: Der Detektor

● Messungen und Resultate

● Ausblick

Neutrino-Oszillationen: Grundlagen

e

=U e1 U e2 U e3

U 1 U 2 U 3

U 1 U 2 U 3 1

2

3=U 1

2

3

Definition: periodische Umwandlung einer Neutrino- Art (Flavor) in eine andere

Erklärung: Eigenzustände der schwachen WW. ≠ Masseneigenzustände (nicht entartet, d.h. mi≠mj)

• U: unitäre 3x3 Matrix (Maki-Nakagawa-Sakata, vgl. CKM Matrix), 4 freie Parameter (Mischungswinkel θ12 θ23 θ13 + 1 Phase)• Theorie hat zwei weitere Parameter (δm2

12 + δm223 = δm2

13)

Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ

e = cos sin−sin cos 1

2 mit i t =i 0⋅exp−iE i t / ℏ i=1,2

Annahme: ve(0)=1 und vμ(0)=0

gesucht:

P ee=∣e t ∣2/∣e0∣

2 und P e=∣ t ∣2 /∣e 0∣

2

Flavor-Eigenzustand

Massen-EigenzustandU

Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ

1= cos⋅10sin⋅200=−sin⋅10cos⋅20

10=cos20=sin

t = t:

et =cos⋅v1t sin⋅2t =cos⋅10exp −iE1 t /ℏ sin20exp −iE 2 t /ℏ=cos2⋅exp −iE 1 t /ℏsin2⋅exp −iE 2 t /ℏ

P ee=∣e t e0∣2

=∣e t ∣2=1−sin22⋅sin2 E2−E1

2ℏt

Also

t = 0:

Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ

P ee=1−sin22sin2 m2 L c4

4E ℏ c =1−sin22sin2m2[eV 2] L[km]E [GeV ]

⋅1,27

E i= p2c2mi2c4= pc⋅1

mi2c2

p2 ≈ pcmi

2 c3

2 p

Nutze mic << p (p1 = p2 = p):

E2−E1=m2

2−m12

2 p⋅c3=m2c3

2 p

Verwende t=L/c und Ev=pc:

P ee=sin22sin2 m2 L c4

4E ℏ c =sin22sin2 m2[eV 2] L [km]E[GeV ]

⋅1,27

Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ

● nur Differenzen der Massenquadrate δm2 bestimmbar, keine absoluten Werte

● Oszillationsverhalten bestimmt durch Verhältnis von L/Ev zu 1/ δm2

Wichtige Resultate:

L/Ev << 1/ δm2 L/Ev ≈ 1/ δm2 L/Ev >> 1/ δm2

Argument sehr kleinkeine Oszillation zubeobachten

sin2() ergibt fast 1max. Oszillationideal für Experiment

Argument sehr großsin2() oszilliert starkmittelt sich zu 1/2

Drei Fälle:

Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ

Wie lässt sich L/Ev beeinflussen?

Ev: NeutrinospektrenL: Neutrinoflugstrecke

Long Baseline Experimente (LBL)Reaktorneutrinos problemlos

Atmosphäre Neutrinos Zenithwinkel

solare Neutrinos Jahreszeiten

Tag/Nacht

Atmosphärische Neutrinos

M.Honda et al., Phys. Rev. D52(1995)

ee

(p,He)

● Verhältnis vμ : ve≈ 2 : 1

● Neutrino-Energien imGeV-Bereich

● Flugstrecke L bis zu 12700km (Ø Erde)

Super-Kamiokande: Der DetektorLage: 1000m tief in einer Mine

Fertigstellung 1996 nach 5 Jahren Bau-zeit

Vorgänger: Kamiokande (1983)Ziele:● Protonzerfall● Neutrinos aus versch. Quellen

– Sonne – Atmosphäre– Supernovae– Gamma Ray Bursts– erzeugte Neutrinostrahlen

Super-Kamiokande: Der Detektor

Weltgrößter Cherenkov Detektor

bedeutende wissenschaftliche Leistungen:

● erster Beweis der Existenz von Neutrino-Oszillationenanhand von atmophärischen Neutrinos (1998)

● Beweis des Ursprungs von solaren Neutrinos durch Echtzeitbeobachtungen

● Bestätigung des solaren Neutrino Defizits ( SNO)● beste untere Grenze für partielle Lebensdauern des

Protons (z.B. p e+ + π0, p v + K+)

Super-Kamiokande: Der Detektor● Wasser-Cherenkov Detektor● Stahlzylinder 42m hoch mit

39m Durchmesser● 50.000 Tonnen reines Wasser● innerer Detektor (ID): 32.000t

11.146 Photomultiplier (PMT)Ø 50cm, 40% Abdeckung

● äußerer Detektor (OD): 18.000t1885 PMT (Ø20cm), aktiver Veto Zähler und passive Abschirmung

● “fiducial volume” 22.500t (2m Abstand zu ID PMT) wegenSpurrekonstruktion, Abschirm.

Super-Kamiokande: Der Detektor● Erdmagnetfeld beeinflusst

PMT (timing), Abhilfe: 26 Helmholtzspulen an Tank-innenseite (50mG)

● Überdruck und Versorgung mit Radon reduzierter Luft, Polyurethan BeschichtungReduktion auf 30-50 Bq/m3

● Wasserreinigungssystem(30t/h ,geschl. Kreislauf) für max. Transparenz und min.Radioaktivität

● Spez. Widerstand nach Reinigung 18,24MΩcm

Super-Kamiokande: Messprinzip

Nachweis von geladenen Teilchen durch Cherenkov-Strahlung

Wie werden Neutrinos registriert? cos= 1n

● Neutrinos wechselwirken mit Wasser im “fiducial volume” über geladene Ströme (charged current)

aus ve (vμ) werden e (μ) Nachweis(hauptsächlich Neutrino-Nukleon WW)

● auch Wechselwirkung über neutrale Ströme, nicht Flavour-selektivAber: WQ klein, kann in Berechnungen einbezogen werden

Super-Kamiokande: e-μ - Identifizierung

1032MeV Myon aus 1063MeV Neutrino

scharfer Ring

600MeV Elektron: Brems-strahlung dominiert elektromag. Schauer diffuser Ring

Ereignis – Rekonstruktion ● PMT-Ansprechmuster

● PMT-Ladungssignal

● PMT- Zeitsignal

● ν-Flugrichtung (v||l )

● v-Flavour

● v-Energie

Myonzerfall nach Abbremsung

Myon dringt von außen ein, wird gestoppt

Super-Kamiokande: Oszillationen

Man misst das VerhältnisMyon-Neutrinos / Elektron-Neutrinosin Abhängigkeit von:

● Winkel zur Erdachse● Energie ( atmo.Neutrinos)

MC = Monte Carlo Simulation

Falls Simulation richtig und keine Oszillation: R = 1

Super-Kamiokande: Resultate

Sub-GeV : R = 0.66 ± 0.02Multi-GeV: R = 0.67 ± 0.03

Frage: Myon-Neutrino Defizit oder Elektron-Neutrino Überschuss?

kein ve-Überschuss, also nicht vμ ve

Verschwinden vμ vτ (?)

Super-Kamiokande: Resultate

Neutrino-Zerfall oder Dekohärenz der Massen-eigenzustände kann ausgeschlossen werden

Oszillationslänge Losz ≈ 2000km x Ev / GeV

(Particle Data Group 2006)

-2

Ausblick: Hyper-Kamiokande

22.5kton ~ 1000kton

Statistik gut genug um Bereich der Vorhersagen abzudecken (SUSY)

Quellen

● http://www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de/~wagner/tp/Wi07/index.html● http://www-ik.fzk.de/%7edrexlin/astro2/astro2.html● http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index1.html● http://cupp.oulu.fi/neutrino/● The Super-Kamiokande Detector, The Super-Kamiokande

Collaboration, Nucl. Instrum. Meth. A501(2003)418-462● Detecting Massive Neutrinos, Scientific American, 1999, Band 281,

Heft 2, S. 64-71● "The Search for Proton Decay." Scientific American 252, 54

(June, 1985)● Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos The Super-

Kamiokande Collaboration, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1562-1567● Y. Oyama (2006). "Results from K2K and status of T2K"