Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen Vorstellungskolloquium im Rahmen des...

Neutrinooszillationen:Neutrinooszillationen:Präzisionsphysik mit GeisterteilchenPräzisionsphysik mit Geisterteilchen

Vorstellungskolloquium im RahmenVorstellungskolloquium im Rahmendes Habilitationsverfahrensdes Habilitationsverfahrens

Universität WürzburgUniversität Würzburg

8. Januar 20078. Januar 2007

Walter WinterWalter WinterUniversität WürzburgUniversität Würzburg

08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 2

InhaltInhalt EinführungEinführung Drei-Flavor NeutrinooszillationenDrei-Flavor Neutrinooszillationen Experimente mit künstlichen Experimente mit künstlichen

NeutrinoquellenNeutrinoquellen Auf dem Weg zur PräzisionsmessungAuf dem Weg zur Präzisionsmessung Wofür sind diese Messungen gut?Wofür sind diese Messungen gut? AusblickAusblick


(KATRIN, 2006)

Etwas HistorieEtwas Historie

Nobelpreise in der Neutrinophysik:Nobelpreise in der Neutrinophysik:1988 Entdeckung des Myon-Neutrinos 1988 Entdeckung des Myon-Neutrinos

(Lederman, Schwartz, Steinberger)(Lederman, Schwartz, Steinberger)1995 Entdeckung des Neutrinos 1995 Entdeckung des Neutrinos

(Frederick Reines)(Frederick Reines)

2002 Entdeckung kosmischer Neutrinos 2002 Entdeckung kosmischer Neutrinos (Ray Davis Jr., Masatoshi Koshiba)(Ray Davis Jr., Masatoshi Koshiba)

???? Mass. Neutrinos/Neutrinooszillationen???? Mass. Neutrinos/Neutrinooszillationen

1933 Pauli postuliert 1933 Pauli postuliert Neutrino wegen fehlenderNeutrino wegen fehlenderEnergie im BetazerfallEnergie im Betazerfall

(Super-Kamiokande, 1998; Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002)


Das Standardmodell der ElementarteilchenDas Standardmodell der Elementarteilchen Drei Generationen Drei Generationen

Fermionen: Drei Fermionen: Drei NeutrinosNeutrinos

Neutrinos masselosNeutrinos masselosim Standardmodellim Standardmodell

Experimentelle Experimentelle Probleme:Probleme:– Neutrinos oszillierenNeutrinos oszillieren– Dunkle Materie, Dunkle Materie,

dunkle Energiedunkle Energie Physik jenseits des Physik jenseits des

Standardmodells?Standardmodells?(Glashow, Salam, Weinberg; ‘t Hooft, Veltman; Gross, Politzer, Wilczek; many many others)


Warum sind Neutrinos so schwer zu fassen?Warum sind Neutrinos so schwer zu fassen? Es gibt sehr viele Neutrinos (z. B. Es gibt sehr viele Neutrinos (z. B.

aus der Sonne, Atmosphäre):aus der Sonne, Atmosphäre):70.000.000.000 s70.000.000.000 s-1-1 cm cm-2-2

alleine von der Sonnealleine von der Sonne Aber: Kaum Wechselwirkungen;Aber: Kaum Wechselwirkungen;

keine Ladung, keine starke WWkeine Ladung, keine starke WW Daher: Baue große Detektoren Daher: Baue große Detektoren

(O(1000 t)) oft tief unter Tage (O(1000 t)) oft tief unter Tage (Background-Reduktion)(Background-Reduktion)

(SNO)


Woher kommen die Neutrinos?Woher kommen die Neutrinos?

10-4 10-3 104103 105 106 107 1010109 1011108 1012

keV MeV GeV TeV

E [eV]

Natürliche Quellen

KünstlicheQuellen= “man made”


Das Geheimnis der fehlenden NeutrinosDas Geheimnis der fehlenden Neutrinos

Vorhergesagte Elektron-Vorhergesagte Elektron-Neutrinorate aus der Sonne Neutrinorate aus der Sonne (John Bahcall) passte nicht zur (John Bahcall) passte nicht zur Beobachtung (Ray Davis Jr.).Beobachtung (Ray Davis Jr.).

Verschwinden die Neutrinos?Verschwinden die Neutrinos?Oder war das Modell falsch?Oder war das Modell falsch?(1960er bis 90er)(1960er bis 90er)

Rate der Neutrinos von unten und Rate der Neutrinos von unten und oben kommend sollte gleich seinoben kommend sollte gleich sein

Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Hinweis auf einen Flavor-Übergang!Hinweis auf einen Flavor-Übergang!

(Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of (Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos”, 1998)atmospheric neutrinos”, 1998)


Wohin sind die Neutrinos verschwunden?Wohin sind die Neutrinos verschwunden? Für massive Neutrinos, die mischen:Für massive Neutrinos, die mischen:

oszillieren:oszillieren:Amplitude

Frequenz

Baseline: Quelle - Detektor

Energie

(Pontecorvo, 1957; Maki, Nakagawa, Sakata, 1962)

EZ schwache WW EZ Masse


Neutrinomischung mit drei FlavorsNeutrinomischung mit drei Flavors

( ) ( ) ( )= xx

Drei Mischungswinkel Drei Mischungswinkel , , eine CP-Phase eine CP-Phase CPCP

Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos,Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos,aber für Oszillationen irrelevantaber für Oszillationen irrelevant

(s(sijij = sin = sin ij ij ccijij = cos = cos ijij))


NeutrinomasseNeutrinomasse Neutrinos sind vielNeutrinos sind viel

leichter als die Quarks, leichter als die Quarks, geladenen Leptonengeladenen Leptonen

Zwei Massenquadrat-Zwei Massenquadrat-differenzen relevant für differenzen relevant für Oszill. : |Oszill. : |mm2121

2 2 | << || << |mm313122||

Massenhierarchie:Massenhierarchie:Normal oder invertiert?Normal oder invertiert?

Massenspektren: Massenspektren: Hierarchisch oder entartet?Hierarchisch oder entartet?


Drei-Flavor-NeutrinooszillationenDrei-Flavor-Neutrinooszillationen

Kopplungsstärke: 13

AtmosphärischeOszillationen:Amplitude: 23

Frequenz: m312

SolareOszillationen:Amplitude: 12

Frequenz: m212

Unterdrückter Effekt: CP

CP-Verletzung ist nötig um unsereExistenz rechtzufertigen!

(Materie-Antimaterie-Asymmetrie)Ist dieser Parameter der Schlüssel?

Nur obere Grenze bisher!Ohne 13, keine CP-Verletzung

messbar und Anordnungder Massen sehr schwerzugänglich (sgn(m31

2))

(Super-K, 1998;Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002)


Was wir über Neutrinos (nicht) wissenWas wir über Neutrinos (nicht) wissen Gibt es in drei aktiven (=schwach wechselwirkenden) FlavorsGibt es in drei aktiven (=schwach wechselwirkenden) Flavors Neutrino-Oszillationsparameter (1Neutrino-Oszillationsparameter (1):):

mm212122 ~ 8.2 10 ~ 8.2 10-5-5 eV eV22 +- 5%+- 5%

sinsin22221212 ~ 0.83 ~ 0.83 +- 5%+- 5%||mm3131

22| ~ (2 – 2.5) 10| ~ (2 – 2.5) 10-3-3 eV eV22

sinsin22222323 ~ 1 ~ 1 +- 7%+- 7%sinsin2222CPCPMassenhierarchie: Normal oder invertiert?Massenhierarchie: Normal oder invertiert?

Andere Parameter:Andere Parameter:(Majorana-Phasen)(Majorana-Phasen)Absolute Neutrino-Massenskala? < 1 eVAbsolute Neutrino-Massenskala? < 1 eVMassenterme: Dirac oder Majorana?Massenterme: Dirac oder Majorana?

Kleine “Nicht-standard” Beimischungen, wie etwa sterile Kleine “Nicht-standard” Beimischungen, wie etwa sterile Neutrinos, Neutrinozerfall etc? LSND-Anomalie?Neutrinos, Neutrinozerfall etc? LSND-Anomalie?

Max. Mischung auf 5ausgeschl.!

Exakt maximale Mischung?

Nur obere Schranke!

(siehe z. B. Bahcall et al, hep-ph/0406294;

Super-K, hep-ex/0501064; CHOOZ+solare paper)


Wichtige offene experimentelle Wichtige offene experimentelle -Fragen-Fragen1.1. Absolute MassenskalaAbsolute Massenskala2.2. Wie groß ist Wie groß ist 1313??

Lept. CP-Verletzung?Lept. CP-Verletzung?Massenhierarchie?Massenhierarchie?

3.3. Spektrum astro-Spektrum astro-physikalischer Neutrinos: physikalischer Neutrinos: NeutrinoteleskopeNeutrinoteleskope

4.4. Niederenergie-Neutrinos aus Niederenergie-Neutrinos aus der Sonne: Test des solaren der Sonne: Test des solaren StandardmodellsStandardmodells

5.5. Test der “LSND-Anomalie”Test der “LSND-Anomalie”

Aus der US APS-Studie (2004):“We recommend, as a high priority,a comprehensive U.S. programto determine the character of theneutrino mass spectrum, and to search for CP violation amongneutrinos. This program shouldhave the following components:- An expeditiously deployed multi-detector reactor experiment […]- A timely accelerator experimentwith [...] sensitivity to the mass hierarchy through matter effects- A proton driver in the megawattclass […] and neutrino super-beam with an appropriate very largedetector […]”

Forschung der k

ommenden

Jahre:

Wie s

ieht das

genau aus?


Ein Multi-Detektor-ReaktorexperimentEin Multi-Detektor-Reaktorexperiment… für eine “saubere Messung” von … für eine “saubere Messung” von 1313

DoubleChooz3 Jahre

Daya Bay, Braidwood,

Angra, Triple Chooz?

(Minakata et al, 2002; Huber, Lindner, Schwetz, Winter, 2003)

Identische Detektoren, L ~ 1.1-1.7 km

Unbek.Systemtatikwichtig für

große Lumi.

NB: Keine Sensitivitätauf CP und

Massenhierarchie!


Spin-off: Nuclear monitoringSpin-off: Nuclear monitoring Idee: Baue Detektor inIdee: Baue Detektor in

Lastwagengröße um “Inventar” Lastwagengröße um “Inventar” eines Reaktors zu überwacheneines Reaktors zu überwachen

Prinzip: Die Event-Raten nahe eines Prinzip: Die Event-Raten nahe eines Reaktors sind hoch, die (Anti-)Neutrinos Reaktors sind hoch, die (Anti-)Neutrinos kann man nicht abschirmen:kann man nicht abschirmen:– 0.64 t 0.64 t DetektorDetektor– 25 m25 m vom Reaktorkern vom Reaktorkern– Typische thermische Leistung = Typische thermische Leistung = 3.46 GW 3.46 GW – ~4000 Events/Tag für 100% Detektionseffizienz~4000 Events/Tag für 100% Detektionseffizienz

Antineutrino-Rate hängt von Isotop und Antineutrino-Rate hängt von Isotop und Zeit ab („Burn-up“-Effekt)Zeit ab („Burn-up“-Effekt)

Angestrebe Präzision: ~ O(10) kgAngestrebe Präzision: ~ O(10) kg

Anzahl Anzahl Antineutrinos/Zerfälle Antineutrinos/Zerfälle hängt von Isotop ab!hängt von Isotop ab!

(Adam Bernstein, LLNL)(Adam Bernstein, LLNL)


Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Neutrino BeamsNeutrino Beams

Künstliche Quelle:

Beschleuniger, Reaktor

Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte

, Systematik)

Ferndetektor

Baseline: L ~ E/m2

(Osz.-länge)

?


In Betrieb: MINOSIn Betrieb: MINOS Messung der atmosphärischenMessung der atmosphärischen

Parameter mit hoher PräzisionParameter mit hoher Präzision Auftauchen von NeutrinosAuftauchen von Neutrinos

mit “anderem” Flavor?mit “anderem” Flavor?Fermilab - Soudan

L ~ 735 km

Ferndetektor: 5400 tNahdetektor: 980 t

735 km

Beam line


GLoBES

AEDL„Abstract ExperimentDefinition Language“

Definiere+modifiziere Experimente

AEDL-Dateien

User InterfaceC-Bibliothek,

die AEDL-Dateien lädt

Funktionalität zurExperimentsimulation

Simulation zukünftiger Simulation zukünftiger ExperimenteExperimente

http://www.mpi-hd.mpg.de/http://www.mpi-hd.mpg.de/lin/globes/lin/globes/

(Huber, Lindner, Winter, 2004) Anwendungssoftwarewird mit User Interface gelinktBerechne Sensitivitäten etc.


Event-Raten-BerechnungEvent-Raten-Berechnung

In der Praxis: Sekundärteilchen werden

ausintegriert

Detektor-Response R(E,E´)

E E´


GLoBES 3.0 GLoBES 3.0 ReleaseRelease

Neue Features:Neue Features:– BenutzerdefinierteBenutzerdefinierte

Systematik (z. B. für Systematik (z. B. für Reaktorexperimente)Reaktorexperimente)

– BenutzerdefinierteBenutzerdefiniertePriorsPriors(z. B. um externe (z. B. um externe Experimente zu addieren) Experimente zu addieren)

– Nicht-Standard-PhysikNicht-Standard-Physikunterstütztunterstützt

(Huber, Kopp, Lindner, Rolinec, Winter, to appear)(Huber, Kopp, Lindner, Rolinec, Winter, in Vorbereitung)


Die Jagd nach Die Jagd nach 1313

Beispielszenario; Beispielszenario; Bänder repräsentieren Bänder repräsentieren unbekanntes unbekanntes CPCP

Neue Generation von Neue Generation von Experimenten Experimenten dominiert sehr dominiert sehr schnell!schnell!

Neutrinofabrik:Neutrinofabrik:Reichweite Reichweite sinsin22221313 ~ 10 ~ 10-5 -5 -- 1010-4 -4

(=Oszillationsamplitude)(=Oszillationsamplitude)(from: FNAL Proton Driver Study; Albrow, …, Winter, et al, 2005)

GLoBES 2005


Perspektiven für die nächsten 10 JahrePerspektiven für die nächsten 10 Jahre

(Huber, Lindner, Rolinec, Schwetz, Winter, 2004)(Huber, Lindner, Rolinec, Schwetz, Winter, 2004)

Bestimmung vonMassenhierarchie,

CP-Verletzungunwahrscheinlich!

90% CL (solid) 90% CL (solid) 33(dashed)(dashed)


Ultimative Präzision: Neutrinofabrik?Ultimative Präzision: Neutrinofabrik? Myonzerfälle in Myonzerfälle in

den geraden den geraden Sektionen eines Sektionen eines SpeicherringsSpeicherrings

NatürlicherweiseNatürlicherweisezwei Baselineszwei Baselines

Vorstufe zumVorstufe zumMyon-Collider?Myon-Collider?

~ 1.000.000 ~ 1.000.000 Events/Jahr im Events/Jahr im -> -> -Kanal-Kanal(L=3.000 km)(L=3.000 km)

(from: CERN Yellow Report )


Appearance-Kanäle: Appearance-Kanäle: ee

Kompliziert, enthält aber alle relevantenKompliziert, enthält aber alle relevantenInformationen: Informationen: 1313, , CPCP, Massenhierarchie (via A), Massenhierarchie (via A)

(Cervera et al. 2000; Freund, Huber, Lindner, 2000; Freund, 2001)


Korrelationen und EntartungenKorrelationen und Entartungen Zusammenhängende (grün) Zusammenhängende (grün)

oder nicht-oder nicht-zusammenhängende (gelb) zusammenhängende (gelb) entartete Lösungen (best. entartete Lösungen (best. confidence level) im confidence level) im ParameterraumParameterraum

Beeinträchtigen MessungenBeeinträchtigen MessungenBeispiel: Beispiel: 1313-Sensitivität-Sensitivität

(Huber, Lindner, Winter, 2002)(Huber, Lindner, Winter, 2002)

Diskrete Entartungen: Diskrete Entartungen: ((,,1313)-Entartung)-Entartung(Burguet-Castell et al, 2001)(Burguet-Castell et al, 2001)

sgn-Entartung sgn-Entartung (Minakata, Nunokawa, 2001)(Minakata, Nunokawa, 2001)

((2323,,/2-/2-2323)-Entartung )-Entartung (Fogli, Lisi, 1996)(Fogli, Lisi, 1996)


Welche Baselines, welche Energien?Welche Baselines, welche Energien? 3000-5000 km gut für3000-5000 km gut für

CP-VerletzungCP-Verletzung ~7500 km gut für ~7500 km gut für

Massenhierarchie, Entartungsaufl.Massenhierarchie, Entartungsaufl. Benutze zwei Baselines: Benutze zwei Baselines:

4000 km+7500 km, E4000 km+7500 km, E > 40 GeV > 40 GeV

Massenhier.

CP-Verletzung13-Sens.

Fig. aus Huber, Lindner, Rolinec, Winter, 2006.

Beitrag zur “International scoping study of a future Neutrino factory and super-beam facility”, 2005-2006

$50 Mio.?

~600 CPU-hrs


Erdmaterie enthält Elektronen, aber kaum Erdmaterie enthält Elektronen, aber kaum ,, Kohärente Vorwärtsstreuung in Materie hat Nettoeffekt auf Kohärente Vorwärtsstreuung in Materie hat Nettoeffekt auf

Elektron-Flavor:Elektron-Flavor:

Materieeffekte sind proportional zu L und Materieeffekte sind proportional zu L und Hamiltonian im Flavor-Raum:Hamiltonian im Flavor-Raum:

Materieeffekte in Materieeffekte in -Oszillationen (MSW)-Oszillationen (MSW)

Y: Elektronen-anteil ~ 0.5

(Elektronen pro Nukleon)

(Wolfenstein, 1978; Mikheyev, Smirnov, 1985)

e nur e

e


Materieprofil der ErdeMaterieprofil der Erde… aus der Sicht eines Neutrinos… aus der Sicht eines Neutrinos

(PREM: Preliminary Reference Earth Model)

Kern

InnererKern


Materieeffekte: Fluch oder Segen?Materieeffekte: Fluch oder Segen? Wichtig für Massenhierarchie-Wichtig für Massenhierarchie-

Bestimmung:Bestimmung:

Problem für andereProblem für andereParameter (Parameter (1313, , CPCP): ): Geophysikalische Geophysikalische Materiedichte-Materiedichte-unsicherheitenunsicherheiten

(gemessen von seismischen Wellen)(gemessen von seismischen Wellen) ca. 5% Unsicherheit im Materieprofilca. 5% Unsicherheit im Materieprofil

Materedichteunsicherheiten in 3D-Mod. ~ 5%

(http://cfauvcs5.harvard.edu/lana/rem/mapview.htm)

sgn(F)sgn(F) Anti-Anti-

mm313122>0>0 ++ --

mm313122<0<0 -- ++


Leptonische CP-VerletzungLeptonische CP-Verletzung CP-Verletzung ~ Antiteilchen haben andere CP-Verletzung ~ Antiteilchen haben andere

Eigenschaften als TeilchenEigenschaften als Teilchen Test von CP-Verletzung: Vergleich mit CP-Test von CP-Verletzung: Vergleich mit CP-

konjugiertem Experiment ~ Vergleich Neutrinos – konjugiertem Experiment ~ Vergleich Neutrinos – Antineutrinos (in Vakuum):Antineutrinos (in Vakuum):

Problem der Erdmaterie: Verletzt CP, CPTProblem der Erdmaterie: Verletzt CP, CPT(da kaum Positronen in der Erde; ggf. auch (da kaum Positronen in der Erde; ggf. auch asymmetrisches Materieprofil)asymmetrisches Materieprofil)

CP-Verletzung ist nur in Konvolution mit vielen CP-Verletzung ist nur in Konvolution mit vielen anderen Parametern messbar; prop. zu anderen Parametern messbar; prop. zu sin sin CPCP


Neutrino-Tomographie?!Neutrino-Tomographie?!

L ~ 7.200 km (v. FNAL)

Präzision der mittleren Dichtemessung bei sehr langen Baselines Präzision der mittleren Dichtemessung bei sehr langen Baselines ~ ~ 0.25-0.5%0.25-0.5% (1 (1, große , große 1313))

(Winter, 2005; Minakata, Uchinami, 2006; Gandhi, Winter, 2006)


Warum diese Messungen?Warum diese Messungen? Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen

durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc.durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc. Vorhersagen für Vorhersagen für 1313, , 2323--/4, Massenhierarchie, etc. /4, Massenhierarchie, etc. Beispiel: Literaturrecherche für Beispiel: Literaturrecherche für 1313

(Albright, Chen, 2006)

Peak generisch oder voreingenommen?

Experimenteliefern wichtige

Hinweise für Theorie


Mischung: Quarks versus LeptonenMischung: Quarks versus Leptonen

Grundidee: Gleiche ParameterisierungGrundidee: Gleiche Parameterisierung Ergebnis: Kaum Mischung (Quarks) versus fast Ergebnis: Kaum Mischung (Quarks) versus fast

maximale Mischung (Leptonen) – Wieso?maximale Mischung (Leptonen) – Wieso?

0.970.97 0.230.23 0.0040.004

0.230.23 0.970.97 0.0420.042

0.0080.008 0.0420.042 1.001.00

0.79-0.880.79-0.88 0.47-0.610.47-0.61 <0.20<0.20

0.19-0.520.19-0.52 0.42-0.730.42-0.73 0.58-0.820.58-0.82

0.20-0.530.20-0.53 0.44-0.740.44-0.74 0.56-0.80.56-0.8

VCKM UPMNS


Der Traum von der großen Der Traum von der großen VereinheitlichungVereinheitlichung

Phänomenologischer Hinweis Phänomenologischer Hinweis z. B.z. B.

(„Quark-Lepton-(„Quark-Lepton-Komplementarität“ - QLC)Komplementarität“ - QLC)

Gibt es Gibt es eineeine Größe Größe ~ ~ CC, die , die alle Mischungen und alle Mischungen und Hierarchien erklären kann?Hierarchien erklären kann?

Überbleibsel der Überbleibsel der GUTGUT

Lepton-Sektor

Quark-Sektor

Symmetrie-brechung(en)

E GUT

(Petcov, Smirnov, 1993; Smirnov, 2004; Raidal, 2004; Minakata, Smirnov, 2004)


Manifestation von Manifestation von Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen: Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen:

mmuu:m:mcc:m:mtt==44::33:1, m:1, mdd:m:mss:m:mbb==44::22:1, :1, mmee:m:m:m:m==44::22:1:1

Neutrinomassen: mNeutrinomassen: m11:m:m22:m:m33~~22:::1, 1:1::1, 1:1: oder 1:1:1 oder 1:1:1 MischungenMischungen

11 33

11 22

33 22 11VCKM ~

UPMNS ~ VCKM

+Ubimax ?Kombination aus

und max. Mischungen?


Erweiterte Quark-Lepton-KomplementaritätErweiterte Quark-Lepton-Komplementarität(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)

Nur generische Annahmen: Alle vorkommenden Nur generische Annahmen: Alle vorkommenden Mischungswinkel Mischungswinkel

Teste von 262.144 Möglichkeiten systematisch: 2.468 Teste von 262.144 Möglichkeiten systematisch: 2.468 davon kompatibel mit momanten Datendavon kompatibel mit momanten Daten

Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). Beispiel: Beispiel: „Diamanten “-Texturen„Diamanten “-Texturenmit neuen Summenregeln, mit neuen Summenregeln, z. B.z. B.


Vorhersagen aus erweiterter QLCVorhersagen aus erweiterter QLC Generische Vorhersagen für MischungswinkelGenerische Vorhersagen für Mischungswinkel Im Vergleich zur GUT-Literatur:Im Vergleich zur GUT-Literatur:

Kein Peak bei sinKein Peak bei sin22221313 ~ 0.04, ~ 0.04, Einige Modelle mit kleinen sinEinige Modelle mit kleinen sin22221313 ~3.3 10 ~3.3 10-5-5

(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)MADE IN WÜRZBURG


Dirac- oder Majorana-Massenterme?Dirac- oder Majorana-Massenterme? See-saw:See-saw:

Neutrinomasse: Dirac versus MajoranaNeutrinomasse: Dirac versus Majorana

Majorana-Massentermeimplizierenschwere MR

See-saw:

Erklärt winzige Masse

Leptogenese:Zerfall der MR

Sieg der Materie über Antimaterie

R

L

D

DRL Mm

m

m mD

2

M mD


00-Zerfall-Zerfall: Testet diese Majorana-Eigenschaft: Testet diese Majorana-Eigenschaft

Rate ~ Kernphysik x Rate ~ Kernphysik x |m|meeee||

Ist das Ist das sein eigenes Antiteilchen? sein eigenes Antiteilchen?

(Heidelberg-Moscow, COBRA, EXO, NEMO, Gotthart, Majorana, etc.)


Komplementarität 0Komplementarität 0/Long-Baseline/Long-Baseline Momentan relativMomentan relativ

großer Bereich großer Bereich theoretisch erlaubttheoretisch erlaubt

Insbesondere Insbesondere verschwindende Rate verschwindende Rate erlaubt (erlaubt (mm3131

22>0)>0) Synergien mit LBL:Synergien mit LBL:

z. B. z. B. mm3131

22<0 @ NOvA + <0 @ NOvA + Stärkerer 0Stärkerer 0-Bound -Bound = Dirac-Massenterme= Dirac-Massenterme

Leichteste Neutrinomasse

0

-Zer

falls

rate


00-Zerfall und erweiterte QLC-Zerfall und erweiterte QLC Verschwin-Verschwin-

dene 0dene 0--Rate benötigtRate benötigtFine-tuning Fine-tuning von Phasenvon Phasen

Unwahrscheinlich für Unwahrscheinlich für konkrete Modellekonkrete ModelleBeispiel:Beispiel: Erweiterte Erweiterte QLCQLC(+ best. Phasen-(+ best. Phasen-annahmen)annahmen)

|mee| > 0.002 eV für 99%

(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)


Bild von Physik jenseitsdes Standardmodells:SUSY? Baryogenese?

See-saw? GUT?Dunkle Materie?

Dunkle Energie? …

SelteneZerfälle

Astrophysik+Kosmologie

Electroschw.Präzision

Neutrino-oszillationen

0-Zerfall

ILC

LHC

Bisherüberzeugende

Evidenz!?

Protonzerfall,…

Physik jenseits des Standardmodells: ZukunftPhysik jenseits des Standardmodells: Zukunft


Ausblick - Phänomenologie Ausblick - Phänomenologie (subjektive Auswahl)(subjektive Auswahl)

Experiment-Strategien zur Präzisionsmessung Experiment-Strategien zur Präzisionsmessung der Oszillationsparameterder Oszillationsparameter

Gibt es weitere Nicht-Standard-Physik in Gibt es weitere Nicht-Standard-Physik in Neutrinooszillationen?Neutrinooszillationen?

Maschinisierter, systematischer Test einer Maschinisierter, systematischer Test einer großen Klasse von Modellengroßen Klasse von Modellen

Vergleich Quarks-Leptonen: Warum nützt eine Vergleich Quarks-Leptonen: Warum nützt eine präzisiere Bestimmung von Upräzisiere Bestimmung von UPMNSPMNS??

Verbindung Neutrinooszillationen-LFV-0Verbindung Neutrinooszillationen-LFV-0--Collider etc.Collider etc.


WarumWarumNeutrinos?Neutrinos?

Neutrinos sind dieNeutrinos sind diezweithäufigsten Teilchenzweithäufigsten Teilchenim Universumim Universum

Wenn wir die Neutrinos Wenn wir die Neutrinos nicht verstehen,nicht verstehen,verstehen wir das verstehen wir das Universum nicht!Universum nicht!


BackupBackup


Neutrino oscillations in vacuumNeutrino oscillations in vacuum

Two independent Two independent m2’s!

Hamiltonian diagonal in mass

space!

Source of CPviolation if CP not 0

or

Oscillation “signature”: m2L/E

Appliedquantum

mechanics!


Einige “künstliche” NeutrinoquellenEinige “künstliche” NeutrinoquellenQuelleQuelle Produktion … und DetektionProduktion … und Detektion LimitationLimitation LL <E><E>

ReaktorReaktor SystematikSystematik 1-2 km1-2 km ~4 MeV~4 MeV

Super-Super-beambeam

Intrinsischer Intrinsischer Beam- Beam- backgroundbackground

100-100-2,500 2,500 kmkm

0.5 – 5 0.5 – 5 GeVGeV

Neutrino Neutrino fabrikfabrik

Ladungs-Ladungs-trennungtrennung

700-700-7,500 7,500 kmkm

15-30 15-30 GeVGeV

-Beam-Beam RadioaktivitätRadioaktivität 100-100-2,000 2,000 kmkm

0.3 – 10 0.3 – 10 GeV GeV

Für führende atm. Param. Signal prop. sin2213 Kontamination


ReaktorexperimenteReaktorexperimenteShort baseline: 13 Long baseline: 12, m21

2


Erweiterte QLC - ProzedurErweiterte QLC - Prozedur

1.1. Generiere alle Möglichen UGeneriere alle Möglichen U ll, U, U mit Mischungswinkeln mit Mischungswinkeln

2.2. Berechne UBerechne UPMNSPMNS und lese Mischungswinkel ab; und lese Mischungswinkel ab; selektiere nur Modelle kompatibel mit Datenselektiere nur Modelle kompatibel mit Daten

3.3. Generiere Texturen für unterschiedliche Massenhierarchie-Generiere Texturen für unterschiedliche Massenhierarchie-AnnahmenAnnahmen

Keine Diagonalisierung notwendig! Keine Diagonalisierung notwendig!

Geladene Leptonen-Massenterme

Neutrino-Massenterme

Wechselwirkungs-Lagrangian

Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen Vorstellungskolloquium im Rahmen des...

Documents

Transcript of Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen Vorstellungskolloquium im Rahmen des...