Kosmologie und Teilchenphysik als akustische Phänomene

1. Der kosmische Mikrowellenklang 2. Neutrinos als Dunkle Materie ?

- Nachweis von Neutrinos und ihres „Flavors“ - Neutrino- Flavoroszillationen als Schwebung - die Massen(differenzen) der Neutrinos

Michael Kobel TU Dresden

Lehrkräfte-Stammtisch 29.10.2013

Sind Neutrinos die „Dunkle Materie“?

1930: theoretische Einführung (Pauli)

1956: experimentelle Entdeckung

(Cowan und Reines)

schwach wechselwirkend: 999.999.999 von 1.000.000.000 schaffen Erddurchquerung

ziemlich verbreitet: 366.000.000 Neutrinos / m3 im Vergleich zu 0,2 Protonen / m3

è wesentlicher Beitrag zu zu Dunkler Materie, selbst wenn 1.000.000.000 Mal leichter als Protonen!!!

aber (bis vor kurzem): Ruhemasse unbekannt

Neutrinos: “Singles“ des Universums

Unsere Sonne

Neutrinos brauchen nur 2 sec vom Inneren an die Oberfläche!

Jeder der drei Neutrinoarten reagiert anders!

Der „Überlichtknall“ der Neutrinos

ne nµ nt d u d

e- m- t-

u u d

W-

n p

(Super)Kamiokande 50,000 t Wassertank

40 m hoch, 40 m Æ 11146 Lichtdetektoren 1 km tief in Kamioka Mine Japan

Neutrinos aus der Sonne Kernfusion in der Sonne: 4p à 4He + 2e+ + 2ne + 27 MeV Energie auf der Erde: 1011 solare Neutrinos / cm2 und Sekunde

Produktion: 100% als ne-„Flavor“

ne nm? nt?

Davis (1970 -2000): ne Nachweis auf der Erde Ergebnis: nur 30% der erwarteten ne

Bestätigung (1995) Kamiokande (Sonne live! im „Neutrinolicht“)

Frequenzen des Neutrino-Flavor Orchesters nach Quantenmechanischer Mischung http://neutrinopendel.tu-dresden.de/animation.html (incl. Besonderer Lernleistung, Johannes Pausch, MAN Gymnasium, DD)

n3 = ( - nm + nt)/Ö2

n2 = (-ne + nm + nt)/Ö3

n1 = (2ne + nm + nt)/Ö6

- +

+ - +

+ + +

f 46/min 43/min 42/min P2

P1

P3

Anregung eines Pendels entspricht Flavor-Oszillationen der Neutrinos Abwechselnde Schwingung der Pendel Entspricht „Schwebung“ des angeregten Pendels („mal da, mal weg“)

Schwebung umso schneller bei Pendel: je größer der Frequenzunterschied, d.h. je stärker die Kopplung k Neutrinos: je größer der Unterschied der Massen2

Akust. Schwebung: je größer der Frequenzunterschied

Quantitativ: Schwebungsperiode T

Akust Schwebungen: (kleine Df) Pendel: (kleine Dw2) Neutrinos: in Eigenzeit:

Physikalischer Grund: Phasenunterschied Dw ~ D(m2) folgt aus Entwicklung exp(iwt) = exp(iEt) ~ exp(i(p+m2/2p+…)t)

Neutrino-Oszillationen als Schwebungen

wp

D42

12

»-

=ff

T

424

cmE

cLT

Dp

h==

1)== ch(

wp

D42

12

=-

=ff

T

224

cmm

cLT

Dp

gh=='

Korrespondenzen zur Akustischen Schwebung

Akustik Pendel Neutrinos

Schallwelle Lineare Schwingung Kreisbewegung des „Phasenzeigers“

Töne (feste Frequenz)

Feste Moden (à Eigenfrequenz)

Massezustände (à Phasenfrequenz)

Klang= Überlagerung der Töne

Ein Pendel = Überlagerung der festen Moden

Flavorzustand = QM-Mischung der Massenzustände

Lautstärke ~Schallamplitude2

Energie des Pendels ~Schwingungsamplitude2

QM-Nachweiswahrscheinlichkeit ~ |Wellenfunktion|2

Schwebungsfrequenz ~ Df der Töne

Schwebungsfrequenz ~ Df der festen Moden

Flavor-Oszillation der Neutrinos ~ Dm2 der Massezustände

Größenordnung: ~Hz ~ Größenordnung: 0,01 Hz ~ 0,1 – 10 kHz (Beobachter) ~ 0,1 – 10 THz (n-Eigenzeit)

p±, K±

e±

nm ne

nm

m±

(Protonen, He…) L=10~20 km

Primäre Kosmische Strahlen

Im Idealfall nm : ne = 2 : 1

Atmosphärische Neutrinos

ne und nm aus Luftschauern: • Es fehlen keine ne • Es fehlen nm, umso mehr, je weiter der Weg

• Erklärung: nmà nt

Flavor-Oszillation als Waage für Neutrinos 3 „Flavor-Zustände: ne nµ nt (= einzelne Pendel) gemischt zu 3 Massenzuständen n1 n2 n3 (= stabile Moden)

kleiner Energieunterschied, abhängig von Kopplung

Pendel: Frequenzunterschied Df Neutrinos: Massenunterschied Dm2

Anregung nur eines Pendels:

Regelmäßige Oszillationen der Pendel, abhängig von Kopplung

Bei Herstellung nur einer Neutrinoart: Regelmäßige Umwandlungen in die andere(n) Art(en)

Bei Nachweis nur einer Neutrinoart: Neutrinos scheinen zu „verschwinden“, abhängig von Dm2 Analog zu akustischen Schwebungen bei kleinen Df

Derzeitige Meß-Werte

2013 gemessen (Daya Bay): schnelle Oszillationen bei Reaktor-Neutrinos mit Werten der Schwebungsfrequenz f´13 bis zu 0,1 PHz

Atmosphärische n Solare + Reaktor n Myon-Neutrinos Elektron-Neutrinos

Dm223 = 2,4 x 10-3 eV2 Dm2

12 = 0,08 x 10-3 eV2

„schnelle“ Oszillation „langsame“ Oszillation

E ~ 1000 – 10.000 MeV E ~ 1 – 10 MeV

)(MeVEkmL ´= 3012)(MeVEkmL ´= 123

)()(. 2252

eVmMeVEmLij

ij D=

)(MeVEsT ´= m323 )(MeVEsT ´= m9012

psT 11023 -= ,' psT 303012 -= ,'

THzf 10123 -=' THzf 303012 -= ,'

nepe +®+ +n

prompt signal Ev – 0.8 MeV

delayed signal MeV)2.2(g+®+ dpn

How to detect reactor neutrinos

Ideal situation for Kamioka

Most recent KamLAND result (2008) „Precision Measurement of Neutrino Oscillation Parameters with KamLAND“, Phys.Rev.Lett.100:221803,2008

L0 is the „effective“ baseline = flux-weighted average of distance = 180km

• Beitrag zur Masse des Universums: 0.1% < Wn< 3%

• erklärt nur kleinen Teil der „dunklen“ Materie

Erklärung der Messungen

• Sonnenneutrinos: weniger ne wegen Oszillation ne à nµ, t Atmosphärische Neutrinos: weniger nµ wegen Oszillation nµ à nt

• Nur möglich bei Energiedifferenz (d.h. Massendifferenz!) zwischen den stabilen Moden n1 n2 n3

• èNeutrinos haben Masse!! (Allerdings hier nur Differenzen von m2 messbar!)

•Animation: Ch. Weinheimer 1 2 3

Andere Kandidaten für Dunkle Materie? n Supersymmetrische Teilchen?

n Würden helfen, mehrere Theoretische Fragen zu lösen l Vereinigung aller Kräfte incl Gravitation l Verständnis großer Zahlenverhältnisse

n Leichtestes SUSY Teilchen stabil

= Dunkle Materie (ca 3000 /m3)? l stabil, massiv (> 50 Protonmassen),

schwache Wechselwirkung l Direkte Entdeckung möglich bei:

ATLAS & CMS am LHC des CERN

Zusammenfassung • Die „Kosmische Symphonie“ der Mikrowellenhintergrund Obertöne ergeben

Form und Zusammensetzung des Universums

• Das Universum ist im Mittel flach

• Die Masse der uns bekannten atomaren Materie bildet ca. 5% der Gesamtenergie des Universums

• Neutrinos erklären nur einen kleinen Bruchteil der 22% nichtatomaren „dunklen“ Materie im Weltall

• Es gibt Ideen, was der Rest ist (à LHC Experimente 2010-…?)

• 73% der Gesamtenergie steckt in „dunkler Energie“, unverstanden, aber bestimmend für die Zukunft

• Kosmologie und Teilchenphysik, Quantenphysik und Akustik sind eng verknüpft

Literaturempfehlungen (zusätzlich zu den schon genannten)

• Dieser Talk (ab morgen) auf: http://iktp.tu-dresden.de/IKTP/forschung/Pub.php (Projekt: Outreach)

• Harald Lesch / Jörn Müller Kosmologie für Helle Köpfe (Goldmann Taschenbuch, 2006)

• Wayne Hu, The Physics of microwave background anisotropies http://background.uchicago.edu/~whu/physics/physics.html (mit Artikel aus Scientific American: The cosmic symphony, 2004)

• Kosmologie und Teilchenphysik generell www.weltderphysik.de à Das Weltall, Welt des Allerkleinsten www.teilchenphysik.de

• Physik am LHC

www.weltmaschine.de www.weltderphysik.de/de/351.php

• Pendel als Model für Neutrino-Flavoroszillationen http://neutrinopendel.tu-dresden.de