LeptonMasseLebensdauer e 1 eV 190 keV 18,2 MeV e 511 keV 105,7 MeV 2,197 s 1,777 GeV0,291 ps...

Lepton Masse Lebensdauer

e 1 eV

190 keV

18,2 MeV

e 511 keV

105,7 MeV 2,197 s

1,777 GeV 0,291 ps

Leptonen:

1.1. Bild 1

Quark Masse typische Lebensdauer

u 1,5 – 3,3 MeV

c 1,3 GeV 1012 s

t 171 GeV 1023 s

d 3,5 – 6,0 MeV 103 s

s 100 MeV 109 s

b 4,2 GeV 1012 s

Quarks:

1.1. Bild 2

Der Aharonov-Bohm-Effekt:

Experiment: Möllenstedt und Bayh, 1962

Bew

egun

gsric

htun

g de

s F

ilms

Strom konstant

Strom konstant

Strom wird gleichförmig erhöht

Beobachtungs-ebene (Film)

Spule

Elektronen-strahl HV

HV HV

1.2.1. Bild 1

1.2.4. Ausblick

Wechsel-wirkung

klassisch Quantenfeldtheorie

Gravitation

stark

schwach

elektrisch

magnetisch

allg. Relati-vitätstheorie

(Einstein)

Elektro-dynamik

(Maxwell)QED

QCD

QFD

GU

TG

roß

e V

ere

inh

eitli

chu

ng

TO

E:

The

ory

of E

very

thin

g

heutiger Stand

1.2.4. Bild 1

1.3. Experimentelle Ansätze

a) Z-Sektor ffZee

z. B. GeV91Ms Z LEP (CERN), SLC, PEP (SLAC), PETRA (DESY)

XZpp XZpp TeV2s TeV14...7s

Tevatron (FNAL) LHC (CERN)

Nν νN, e,ν νe, -Streuung(CERN, FNAL, Kernreaktoren,...)

HERA (DESY)Xepe GeV330s mit

1.3. Bild 1

b) W-Sektor WWee mit GeV160M2s W

LEP (CERN)

XWpp XWpp TeV2s TeV14...7s


HERA (DESY)Xνpe GeV330s mit

( )

ττeeLEP, CLEO, ARGUS, BES, BaBar, Belle

...XJetstpp LHC (CERN)

(single top production)

1.3. Bild 2

c) Gluon-Sektor

Jetsee LEP, SLC, PEP, PETRA

XJetspp XJetspp TeV2s TeV14...7s


HERA (DESY)

Jetsepe GeV330s mit

etc.

1.3. Bild 3

d) Massen-Sektor

XHee LEP

XHpp XHpp

Tevatron (FNAL)

LHC (CERN)

Higgs:

Quark-Mischung und CP-Verletzung

BBee BaBar (SLAC), Belle (KEK)

Xbbpp Xbbpp

Tevatron (FNAL)

LHC (CERN)

bbee LEP (CERN), SLC (SLAC)

etc.1.3. Bild 4

μν

Neutrale Ströme: Gargamelle Blasenkammer (CERN) eνeν μμ

e

3.1. Bild 1

Erstes Z-Boson im UA1-Detektor (CERN)

eeZhttp://cdsweb.cern.ch

3.1. Bild 2

http://cdsweb.cern.ch

Energiedeposition im EM-Kalorimeter

Verteilung der invarianten Di-Lepton-Massen

ZUntergrund

3.1. Bild 3

Gezeiteneffekte der LEP-Strahlenergie

Vollmond

Halbmond

3.2.3. Bild 1

Spurdetektor teilweise im B-Feld

elektromagnetisches Kalorimeter

hadronisches Kalorimeter

Myon-Spurkammern

Teilchen-ID(Cherenkov,TRD)

n, KL

e

p, , K

Silizium-Vertexdetektor

Innen Außen

Prinzip von Großdetektoren Modularer Aufbau

3.2.3. Bild 2

Selektion:

Z,e

e

e,,

e,,

Z,e

e

q

q

Ze

e

ν

ν

Unsichtbar:

ein Diagramm pro Neutrinoflavour mit

2m MZ

3.2.3. Bild 3

:ee

zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2minimal ionisierende Spur durch beide Kalorimeter

Spurkammern

elektromagnetisches Kalorimeter

hadronisches Kalorimeter

Myon-Kammern

Signale vom Durchgang durch die Myon-Kammern3.2.3. Bild 4

:eeee

zwei Spuren jeweils mit Impuls MZ2

zwei e.m. Schauer jeweils mit Energie MZ23.2.3. Bild 5

:ττee

τeννeτ

τμ ννμτ

Mittlere -Zerfallsstrecke: 2mm

3.2.3. Bild 6

:ττee τeννeτ

τνπππτ fehlende Energie

kleine Multiplizität

einzelne Leptonen mit Impuls MZ2

Jet-artige Strukturen mit 15 Hadronen und Gesamtimpuls MZ2

3.2.3. Bild 7

:)g(qqee

zwei (oder mehr) Jets von Hadronen

Impulssumme 0

Energiesumme ee-Schwerpunktsenergie

3.2.3. Bild 8

Z-Resonanzkurve und totale Breite

MeV 3,22,2495Γ tot

3.2.3. Bild 9

Z-Partialbreiten

MeV 5,10,499Γ

MeV 086,0984,83ΓMeV 0,24,1744ΓMeV 3,22,2495Γ

inv

lept

had

tot

0,04520,764R

0,03320,785R0,0500,8042R

τ

μ

e

τμ,e,hadτμ,e, ΓΓR

3.2.4. Bild 1

Selektion: :bb,ccee

Sekundärvertizes

3.2.4. Bild 2

0,00300,1721R c

hadbc,bc, ΓΓR

0,000660,21629R b 3.2.4. Bild 3

Z-Resonanzkurve für verschiedene N

007,0986,2N ν

3.2.5. Bild 1

3.3.1. Bild 1

Sensitivität der Asymmetriefaktoren auf den Mischungswinkel

2fA

2fV

fA

fV

fgg

gg2

Α

3.3.2. Bild 1

Winkelverteilung für Myon-Paare

ZMs

GeV2Ms Z

GeV2Ms Z

3.3.2. Bild 2

Messung der Rechts-Links-Asymmetrie am Linear-Collider SLC

3.3.2. Bild 3

Messung der -Polarisation

τ

τ

νπτ

νπτ

τμ

τμ

ννμτ

ννμτ

3.3.2. Bild 4

Winkelabhängigkeit der -Polarisation

3.3.2. Bild 5

Z-Kopplungen an Leptonen

3.3.2. Bild 6

Winkelasymmetrie für bb- und cc-Ereignisse bb

cc

3.4.2. Bild 1

Z-Kopplungen an Quarks

Charm Bottom

3.4.2. Bild 2

3.5. Bild 1

Eines der ersten W-Bosonen im UA1-Detektor (CERN)

4.1. Bild 1

mT-Verteilungen von CDF, D0 (Tevatron)

νeW

νμW

Präzisionsmessung von MW

4.2.1. Bild 1

Präzisionsmessung der W-Masse als Test der Schleifenkorrekturen im Standardmodell

4.2.2. Bild 1

Cabibbo-Kobayashi-Maskawa-Matrix

33

tbtstd

cbcscd

ubusud

1VVVVVVVVVVV

Vbsd

Vbsd

Unitarität

μ

5μμ

5μ Wtcu

γ1γbsd

V2

gW

bsd

Vγ1γtcu

2

gL

μ

5μμ

5μ Wtcu

Vγ1γbsd

2

gW

bsd

Vγ1γtcu

2

g

4.3.1. Bild 1

μ

5μμ

5μ Wtcu

Vγ1γbsd

2

gW

bsd

Vγ1γtcu

2

gL

W

d uudV

W

u dudV

W

d uudV

W

u dudV

4.3.1. Bild 2

Allgemeine Lorentzstruktur für Fermionströme

Lorentz-Trafo eines Vierervektors:ν

νμμ xax

a) Eigentliche LT:

γ00γβ01000010

γβ00γ

νμa

1adet

θM001

a3313

31ν

μ

b) Uneigentliche LT: 1adet

1

1a ν

μ

Boost Drehung

11

a νμ

Zeitspiegelung Raumspiegelung4.4.3. Bild 1

λκTκ

νλ

μμνT jaaj

1) Skalar (1): i44fS u1uj SS jj

2) Pseudoskalar (1): i5

fP uγuj PP jadetj 3) Vektor (4): i

μf

μV uγuj ν

Vνμμ

V jaj 4) Axialvektor (4): i

5μf

μA uγγuj

5) Tensor (6): iμν

fμνT uσuj

νAν

μμA jaadetj

mit ,γσ μ2iμν

16 linear unab-hängige komplexe

44-Matrizen μν

TμA

μVPS j,j,j,j,j

vollständige Basis des ℂ-Vektorraums der

komplexen 44-Matrizen

4.4.3. Bild 2

τνντ μe ννeμ

4.4.3. Bild 3

WWeeσ

4.5.1. Bild 1

5.1.3. Bild 1

5.1.3. Bild 2

Tiefunelastische Streuung, neutraler Strom (,Z)

5.1.5. Bild 1

Tiefunelastische Streuung, geladener Strom (W)

5.1.5. Bild 2

elektromagnetisch

schwach

Vereinigung bei2W

2 MQ

22

GeVpbdQ

σd

Tief-unelastische ep-Streuung

5.1.5. Bild 3

Die starke Kopplungskonstante

5.2. Bild 1

Die Farbfaktoren der QCD-Eichgruppe

5.3. Bild 1

Higgs-Mechanismus im Standardmodell

43

212

10 i

i1Y,I 2

1

222

ν2gν

2gν μYBWτi

L

νDi

V

Lokal invariant unter SU(2)LU(1)Y

Spontane Symmetriebrechung für 2 0

6.1.2. Bild 1

Spontane Symmetriebrechung

2v

0

0

L0

a )2(SU0τ

Vakuum: .minV0

gebrochen

Y0

)1(U0Y

gebrochen

Q0

)1(U0Q

ungebrochen

6.1.2. Bild 2

Eichfixierung – Eliminierung der Goldstone-Bosonen

Iτ21

Symmetrie-Generator

(bzw. Linearkomb.)

Goldstone-Bosonen

Higgs-Bosonen

Feldquanten

20 0M,W W

321 τYQ 01 0M,γ γ

321 τY 10 0M,Z Z

6.1.2. Bild 3

6.1.3. Experimentelle Untersuchung des Higgs-Sektors( ab jetzt: H )

Higgs-Erzeugung bei LEP:

a) LEP 1: ee ; GeV90s fH

fZ

Z

e

e

b) LEP 2: ee ; GeV209s

fH

fZ

Z

e

e

t

t H

Z

e

e

H

Z

e

e WW

W

wichtigster Kanal

6.1.3. Bild 1

Suche bei LEP 1&2:

:m2m0 μH H langlebig (Flugstrecke ≳1m)

WW

H

e, e,

• Leptonen vom Z bzw. Z

• H verlässt Detektor fehlende Energie

WW

H

e e

νν• fehlende Energie von

• Sekundärvertex von

• me e mH

ννZ

eeH

6.1.3. Bild 2

• fehlende Energie von

• m2-Prong mH

ννZ

μμH

H kurzlebig, Zerfall am Hauptvertex:GeV15mm2 Hμ ~

:GeV2mH ~

WW

νν

K K gg,qqH Higgs 2-Prong

:GeV2mH ~

WW

νν • fehlende Energie von

• Monojet von H q q mit q s,c,b

ννZ

6.1.3. Bild 3

dominiert durch LEP 2:GeV15mH ~

• 2 Leptonen von

• 2 b-Jets von

• b-Jet-Signaturen (Sekundärvertizes, Leptonen)

Zmm,Z

WW

bbH

Resultat:

.l.c%95GeV4.114mH

6.1.3. Bild 4

Globaler Fit an alle elektroschwachen Observablen mit Higgs-Masse als freier Parameter

Direkte Grenze von

LEP 2

Ausschluss-Bereich vom

Tevatron

6.1.3. Bild 5

LHC: pp bei (ab 2010), (ab 2015)

TeV87s TeV1413s

g

g

H

t

t

Gluon-Fusion (dominant) Vektorboson-Fusion

Hq

q

W, Z

W, Z

begleitende Produktion

q

Hq

WZ,WZ,

Higgs-Strahlung

g

g

H

t

t

t

tt t - Fusion

Higgs-Erzeugung am LHC:6.1.3. Bild 6

Higgs-Verzweigungsverhältnisse vs. Higgs-Masse

6.1.3. Bild 7

Wichtigste Higgs-Zerfallskanäle am LHC:

mH ≳110 GeV

*Z

H

ZH

νW

νW

*

mH 110 200 GeV

6.1.3. Bild 8

H

W

mH ≲ 150 GeV:

H

t

t

WW

t

Ausgeschlossen: mH 111–122 und mH 131–559 GeV

Kombinierte ATLAS-Grenzen auf SMHH σσμ

?

6.1.3. Bild 9

Entdeckung eines neuen Bosons (Juli 2012):

γγH ATLAS CMS

Neues Boson mit Spin 0 oder 2 bei 125-126 GeV!

6.1.3. Bild 10

4ZZH

ATLAS CMS

Bestätigung des Signals!

6.1.3. Bild 11

ννWWH

ATLAS CMS

Bestätigung des Signals!6.1.3. Bild 12

Kompatibel mit Higgs-Bosons des Standardmodells?

ATLAS CMS

Ja, im Rahmen der noch großen Fehler…

6.1.3. Bild 13

6.1.4. Ausblicka) Mögliche Erweiterungen:

• Mehrere Higgs-Dubletts oder Tripletts

• Mehrere geladene und neutrale Higgs-Bosonen

b) Supersymmetrie: Felder supersymmetrische Partner Fermion skalare Boson

Boson Spin-½-Fermion

Minimale Version der Theorie: 2 Higgs Dubletts

h HA

H H

skalar, CP pseudoskalar, CP skalar, geladen

neutral

Vorhersage: mh MZ mStrahlungskorrektur 130 GeV≲

Partner: Spin-½-Higgsinos Charginos & Neutralinos 6.1.4. Bild 1

Mischung neutraler Mesonen: 00 P,P

Erzeugung

(starke WW)

0

0

P

Pschwache WW

Zerfall

(schwache WW)

Mischung

00 PP

Konzept des effektiven Hamiltoneans (nicht-hermitesch):

ψimψHψi 2Γeff

t

02

Γ ψtexpimtexpψ

Zerfall

tΓexpψψ 1ψτ ✔

6.2.1. Bild 1

Schrödingergleichung für 00

00 PtPPtPψ

tPtP

iHHi

tPtP

M00M

tPtP

i0

0

2Γeff

21

eff122

Γ

0

0

0

0td

d

strongH effweakH

wobei:

ΓΓΓMMM

2211

2211

wegen CPT-Symmetrie

0H,H eff21

eff12 00 P,P -Mischung

6.2.1. Bild 2

Oszillationsparameter für -Mischung00 D-D

002,0008,0y

003,0010,0x

ns7,23mΔ

D

D

16,61,7D

6.2.1. Bild 3

Messung der -Mischungss B-B

5,01,26xps12,077,17mΔ

s

1s

6.2.1. Bild 4

Entdeckung der CP-Verletzung: ππKL

6.2.2. Bild 1

Zerfallsrate neutraler Kaonen als Funktion

der Zeit

ππK0

Interferenzterm extrahiert aus a)

6.2.2. Bild 2

ee-B-Fabrik: BaBar (SLAC), (Super-)Belle (KEK) Zukunft: SuperB (?) bei Rom (?)

e e

9,0 GeV 3,1 GeV

0s4 BM2Ms

WW 0B 0B

asymmetrischer Collider Lorentz-Boost

t messbar

Vorteil: Sehr einfacher Endzustand

Herausforderung: Extreme Luminositäten erforderlich

heute Routine:

Zukunft:

1234 scm10 L1235 scm10 L

6.2.2. Bild 3

Hadronische-B-Fabrik: LHCb am LHC (seit 2010)

Xbbpp b-Hadron Signalzerfall

b-Hadron Zerfall Flavour-„Tag“

Vorteil: tot riesig; ; ultimative Statistik 2

totbb 10σσ

Herausforderung: komplizierter Endzustand

anspruchsvoller Trigger

6.2.2. Bild 4

6.2.2. Bild 5

7.1.3. Bild 1

7.1.3. Die PMNS-Mischungsmatrix

A) Dirac-Neutrinos

Erzeugung durch geladene Ströme:

τμ,e,α

Lαμ

LαμCC .c.hγνj

• : Geladene Leptonen (e, , ); unterscheiden sich nur durch Masse WW-Zustände Massen-Eigenzustände

• : Neutrino-Flavour allein durch begleitendes Lepton definiert Flavour Zustände Massen-Eigenzustände k

αν

α

Flavour-EZ: e, , sterile Neutrinos

Massen-EZ: k k 1, 2, 3 4, 5, 6, …, N

Pontecorvo-Maki-

Nahagawa-Sakata

Unitäre Transf.:

τ,μ,e,α

LαkαLk

N

1kLkkαLα νUννUν

jkα

jαkαβαk

kβkα δUUδUU U PMNS-Matrix:

7.1.3. Bild 2

Parameterzählung analog CKM-Matrix:

1NN21 reelle Drehwinkel k j , k j

1NN21 komplexe Phasenfaktoren ei (Phasen )

Freie Wahl der Phasen der Fermionfelder:

Rαψi

RαLαψi

Lα

Rki

RkLki

Lk

αα

kk

e,e

νeν,νeν

kα,Lααk

ψiμLk

kα,Lααk

μLk

αLα

μLα

μCC

.c.hUeγν

.c.hUγν.c.hγνj

αk

1N2 unabhängige Phasendifferenzen k

N2 unabhängige Phasen k,

Parameter der PMNS-Matrix:

1NN21 reelle Drehwinkel k j , k j


1N2 Phasenfaktoren absorbierbar in Fermionfeldern

2N1N2N4NN1N21NN 212

21

21

2N1N21 komplexe Phasenfaktoren

7.1.3. Bild 3

Beispiel N3: 3 Drehwinkel, 1 Phase

1. Drehung um 3-Achse: R1212



4. Phasenfaktor:

kjkjkjkj

2π

kj

θsins,θcosc

θ0

1,1,ediagI,IRIR 13δi1313131313

Eine mögliche Parametrisierung:

7.1.3. Bild 4

Ausgeschriebene PMNS-Matrix für N3 (Dirac-Neutrinos):

1000cs0sc

10001000e

c0s010

s0c

10001000e

cs0sc0001

RIRIRU

1212

1212δi

1313

1313δi

2323

2323

1213131323

1313

1323δi

1323122312δi

1323122312

1323δi

1323122312δi

1323122312

δi1313121312

ccescsscesccsscsesssccessccs

escsccU

1313

1313

13

7.1.3. Bild 5

B) Majorana-Neutrinos

Massenterm ~ CLL

i2L

CL

i2CLLL

CL )(ννeν)(νe)(ννν)(ν

Li

L νeν

Phasen für Majorana-Neutrinos nicht frei wählbar!


N Phasenfaktoren absorbierbar in geladenen Fermionfeldern

1N2N1N1NNN1NN 21

21

21

1NN21 komplexe Phasenfaktoren

N 1 zusätzliche Majorana-Phasen!

1N21 iii

DiracMajoranae,,e,e,1diagUU

Neutrino-Oszillationen

k

tiE*βkαkνν

k

tiEβk

*αkνν

k

βα

k

βα

eUUA

eUUA

k

kαkαk

k*αkα νUννUν

,3,2,1k,τ,μ,eα Flavour steril Masse mk

7.2.1. Bild 1

jkE2

LΔm*βjαjβk

*αk

jkE4

LΔm2*βjαjβk

*αkαβ

j,kE2

LΔm*βjαjβk

*αkνν

2kj

2kj

2kj

βα

sinUUUUIm2

sinUUUURe4δ

iexpUUUUP

jkE2

LΔm*βjαjβk

*αk

jkE4

LΔm2*βjαjβk

*αkαβνν

2kj

2kj

βα

sinUUUUIm2

sinUUUURe4δP

)(

)(7.2.3. Bild 1

3-Neutrino-Mischung

Mischungsmatrix (Dirac-Anteil):

1323δi

1323122312δi

1323122312

1323δi

1323122312δi

1323122312

δi1313121312

ccescsscesccsscsesssccessccs

escsccU

1313

1313

13

Jarlskog-Invariante (Amplitude CP-verletzender Oszillation):

131313231281*

3e*

2μ2e3μ δsin2sinc2sin2sinUUUUImJ

JsUUUUIm kj;α*

jβαjkβ*αk

1,0,1sss jk;αβkj;βαkj;αβ 1s,1s31;

τeμτμe

3221

;τeμτμe

7.2.6. Bild 1

jkE2

LΔm

kjαβ;

jkE4

LΔm2*βjαjβk

*αkαβ

j,kE2

LΔm*βjαjβk

*αkνν

2kj

2kj

2kj

βα

sinsJ2

sinUUUURe4δ

iexpUUUUP

jkE2

LΔm

kjαβ;

jkE4

LΔm2*βjαjβk

*αkαβνν

2kj

2kj

βα

sinsJ2

sinUUUURe4δP

7.2.6. Bild 2

Amplitude der CP-erhaltenden Oszillationen:

jkmit UUUUReRR *βjαjβk

*αkkjβα;kjαβ;

Beispiele:

13132312

213

223

22312

213124

1μ;21e

δcoss2sin2cos

ssc2sinc2sinR

132312132312132132312μ;32e δcosccsssscssR

132312132312132132312μ;31e δcoscssscscscR

etc., vgl. Giunti, Kim, Table 13.1.

7.2.6. Bild 3

3-Neutrino-Oszillationen in Materie

τα

μα

eα

νν

νν

νν

ατ

αμ

αe

α

A

AA

AAA

A

αFαxdd AAi

H

AUUM2E21

F H

00000000A

AΔm00

0Δm0000

MCC

231

221

2

xnEG22xEV2xA eFCCCC 7.3.2. Bild 1

e - Oszillationen in Materie

μe

ee

νν

νν

eμ

eee A

AAA

A

eFexdd AAi

H

CC22

2CC

2

E41

F A2cosΔm2sinΔm2sinΔmA2cosΔm

H

xnEG22xEV2xA eFCCCC

7.3.3. Bild 1

Diagonalisierung:

2M

2M

E41

MFTM Δm0

0ΔmUU H

xnEG22xEV2xA eFCCCC

MM

MMM cossin

sincosU

M2222

CCM22

M 2sinΔmA2cosΔmxΔm

2cosΔm

xAM2

CC1

2tanx2tan

7.3.2. Bild 2

Neue Basis:

eμ

eeTMM

e2

Me1

AA

UAA

MMe2M

Me1

MMe2M

Me1

Me2

Me1

Meμ

ee

cosAsinAsinAcosA

AA

UAA

Me2

Me1

2Mxd

dxd

d2M

Me2

Me1

AA

ΔmEi4

Ei4Δm

E4

1AA

dx

di

M

M

00A

10A

μe

ee

0sin0A

0cos0A

MM

2e

MM1e

7.3.2. Bild 3

7.1.4. Experimentelle Befunde:

-Zerfall: e33 νeHeH

21

e2ee

e02ν

2e0

p,ZFp1

pdNd

e

EEmEE

EK

E0 Ee

Kurie-Plot

K(Ee)

E0m

.l.c %95eV2m eν

7.1.4. Bild 1

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

7.1.4. Bild 2

-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

7.1.4. Bild 3

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

7.1.4. Bild 4

Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau:

LW

LW

d

d u

u

Le

Le

Rν

LννLL mA

Majoranamasse Helizitätsflip

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-

7.1.4. Bild 5

7.4. Experimente zu Neutrinooszillationen

7.4.1. 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 7.4.1. Bild 1

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

7.4.1. Bild 2

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

7.4.1. Bild 3

7.4.2. Atmosphärische Neutrinos und Long-Baseline-Experimente

Erde

kosmische Strahlung (p)

Luftschauer

,e

,e

Untergrund-Detektor

7.4.2. Bild 1

-Entstehung in hadronischen Schauern

,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

7.4.2. Bild 2

Oszillation auf dem Weg durch die Erde

e-Fluss wie erwartet-Fluss „von unten” zu klein

-Fluss „von oben” ✔

7.4.2. Bild 3

Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits

und

Interpretation als Oszillation

7.4.2. Bild 4

Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger-

Experimenten ( L 250735 km )

km735L

atmosphärisch

km250L

7.4.2. Bild 5

7.4.3. Solare Neutrinos und Reaktor-Neutrinos

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 SSM7.4.3. Bild 1

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!7.4.3. Bild 2

Spektrum solarer Neutrinos im SSM

7.4.3. Bild 3

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

7.4.3. Bild 4

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

7.4.3. Bild 5

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 e

Wn pp p

X XZn,p

p,nn,pp,n

e

XZ

e

X

e

e W

e

e

)ν( eCC

)ν,νν()ν( τμeeNC

)ν,νν()ν( τμe132

eEC 7.4.3. Bild 6

Lösung des solaren Neutrino-Problems

SNO,CC

SNO,NC

SNO,ECKamiokande,EC

Vorhersage SSM

7.4.3. Bild 7

Bestätigung: KamLAND-Experiment

ee ννP mit von Kernkraftwerken ( L 1001000 km )eν

km180LL0

7.4.3. Bild 8

7.4.4. Erste Messungen von 13

7.4.4. Bild 1

ELΔm267,1sinθsinθ2sinννP 231

223

213

2eμ

Long-Baseline-Experimente: -Quelle e-Appearance

T2K

T2Kfar detector

MINOS735 km

7.4.4. Bild 2

ELΔm267,1sinθ2sin1ννP 231

213

2ee

Reaktor-Experimente: e-Quelle e-Disappearance

Daya Bay (China)

Photo:IHEP

7.4.4. Bild 3

syststat132 005,0016,0092,0θ2sin

7.4.4. Bild 4

RENO (Korea)

syststat132 019,0013,0113,0θ2sin

7.4.4. Bild 5

syststat132 030,0041,0086,0θ2sin

Double Chooz (Frankreich)

013,0096,0θ2sin 132

Globaler Fit aller Experimentellen Daten:

7.4.5. Zusammenfassung

Linien: Ausschlussgrenzen

Flächen: Messungen

Solare NeutrinosReaktor-Neutrinos

Atmosphärische NeutrinosLong Baseline -Exp.

7.4.5. Bild 1

Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände

23eV104,2

25 eV106,7 e

1

2

3

oder „invertiert”:

7.4.5. Bild 2

LeptonMasseLebensdauer e 1 eV 190 keV 18,2 MeV e 511 keV 105,7 MeV 2,197 s 1,777 GeV0,291 ps...

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