Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinophysik: Aktueller Stand...

Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik

Neutrinophysik:Aktueller Stand und neue

Experimente

Neutrinophysik:Aktueller Stand und neue

Experimente

Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik

Universität Hamburg

Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik

Universität Hamburg


Neutrinophysik in unserer Gruppe I:

Neutrinophysik in unserer Gruppe I:

• Beteiligung am NeutrinooszillationsexperimentOPERA im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

Detektortechnologie: Opera: Hochauflösende Emulsionen Hamburger Beitrag zu Opera: Muonspektrometer aus Driftröhren

• Beteiligung am NeutrinooszillationsexperimentOPERA im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

Detektortechnologie: Opera: Hochauflösende Emulsionen Hamburger Beitrag zu Opera: Muonspektrometer aus Driftröhren

? vv


Neutrinophysik in unserer Gruppe II:

Neutrinophysik in unserer Gruppe II:

• Tests und Vorstudien, eventuell Beteiligung am Reaktorneutrino-Oszillationsexperiment Double-CHOOZ

Detektortechnologie: Flüssigszintillator und Photomultiplier

• Tests und Vorstudien, eventuell Beteiligung am Reaktorneutrino-Oszillationsexperiment Double-CHOOZ

Detektortechnologie: Flüssigszintillator und Photomultiplier

θ13?θ13?


Stand der Neutrinophysik:Stand der Neutrinophysik:

Neutrinooszillationen wurden in zwei Bereichen

nachgewiesen:

• Solare Neutrinos und Reaktorneutrinosve → vμ mit Δm2 ≈ 8·10-5 eV2

• Atmosphärische Neutrinos und Beschleunigerneutrinosvμ → vτ mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2

Neutrinooszillationen wurden in zwei Bereichen

nachgewiesen:

• Solare Neutrinos und Reaktorneutrinosve → vμ mit Δm2 ≈ 8·10-5 eV2

• Atmosphärische Neutrinos und Beschleunigerneutrinosvμ → vτ mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2

Neutrinos besitzen Masse!Mleichtestes v < 2eV


Neutrinomassen und Neutrinomischung

Neutrinomassen und Neutrinomischung

Neutrinomischung! PMNS NeutrinomischungsmatrixNeutrinomischung! PMNS Neutrinomischungsmatrix

3

2

1

321

321

321

UUU

UUU

UUU eeee

3 massive Neutrinos: ν1, ν2, ν3 mit Massen: m1,m2,m3

Flavor-Eigenzustände ≠ Massen-EigenzuständeFlavor-Eigenzustände ≠ Massen-Eigenzustände

→ vgl. im Quarksektor: CKM-Matrix → vgl. im Quarksektor: CKM-Matrix


Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors)Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors)

2

1

cossin

sincos

e

21

22

221 mmm

E

Lm

P ee

2sin)2(sin1

)(22122

Überlebenswahrscheinlichkeit:

0 1 2 3 L in Losz

mit Neutrinooszillationen misst man: Massendifferenzen und Mischungswinkelmit Neutrinooszillationen misst man: Massendifferenzen und Mischungswinkel


Neutrino Mischung: Parametrisierung

Neutrino Mischung: Parametrisierung

3

2

1

321

321

321

UUU

UUU

UUU eeee

3

2

1

1212

1212

1313

1313

2323

2323

100

0

0

0

010

0

0

0

001

cs

sc

ces

esc

cs

sci

ie

Solare und Reaktor-Exp.

θ12: 29o - 39o

Θ23: 34o - 58o

Atmosphärisch und Beschleuniger

θ13, δ ??

unbekannt !

Falls Majorana-Neutrino:

2 zusätzliche CP-Phasen

Falls Majorana-Neutrino:

2 zusätzliche CP-Phasen

Unterschied zu Quarks:Zwei Winkel sind fast maximal!Bedeutung?

Unterschied zu Quarks:Zwei Winkel sind fast maximal!Bedeutung?


Das OPERA ExperimentDas OPERA Experiment

Ziel: Direkter Nachweis der Tau-Neutrinos in vμ → vτ Oszillationen mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2

– Bei atmosphärischen Neutrinooszillationen und bei Oszillationen von Beschleunigerneutrinos wurde bisher nur das Verschwinden von Muon-Neutrinos beobachtet

– Muon-Neutrinos: CERN Neutrinostrahl– Tau-Neutrinos: Nachweis mit OPERA Detektor

im Gran Sasso Labor

Ziel: Direkter Nachweis der Tau-Neutrinos in vμ → vτ Oszillationen mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2

– Bei atmosphärischen Neutrinooszillationen und bei Oszillationen von Beschleunigerneutrinos wurde bisher nur das Verschwinden von Muon-Neutrinos beobachtet

– Muon-Neutrinos: CERN Neutrinostrahl– Tau-Neutrinos: Nachweis mit OPERA Detektor

im Gran Sasso LaborStart: 2006


Der Neutrinostrahl am CERNDer Neutrinostrahl am CERN


Der CNGS NeutrinostrahlDer CNGS Neutrinostrahl

Cern zum Gran Sasso: 732km, <Ev> = 17GeVCern zum Gran Sasso: 732km, <Ev> = 17GeV


Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

150 km von Rom

Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

150 km von Rom

Neutrinos vom CERN

Rom

Autostrada

Teramo

Halle C: Borexino und Opera


Nachweis der Tau-NeutrinosNachweis der Tau-Neutrinos

τ

Herausforderung: Nur ca. 10 vτ Ereignisse in 5 Jahren!


Wechselwirkung von Myon-NeutrinosWechselwirkung von Myon-Neutrinos

Myon-NeutrinoMyon-Neutrino

MyonMyon

HadronenHadronen

KernKern


Wie unterscheidet man Tau-Neutrinos?Wie unterscheidet man Tau-Neutrinos?

Tau-NeutrinoTau-NeutrinoTauonTauon

HadronenHadronen

KernKern

Tauon zerfälltτ = 300ps

Tauon zerfälltτ = 300ps

Nur ca. 0.6mm


OPERA: Emulsions-TechnikOPERA: Emulsions-Technik

Emulsion simulationEmulsion simulation


OPERA: EmulsionOPERA: Emulsion


Beitrag der Uni Hamburg:Muon Spektrometer

Beitrag der Uni Hamburg:Muon Spektrometer


Uni Hamburg: Muon SpektrometerUni Hamburg: Muon Spektrometer

1 Modul aus8m langen Driftröhren

Teststand für Prototyp


Möglichkeiten für Diplomarbeiten:Möglichkeiten für Diplomarbeiten:

• Charakterisierung der Driftröhreneigenschaften,insbesondere Ortsauflösung

• Spurrekonstruktion am Opera-Muonspektrometer(Teststände und Opera-Detektor)

• Entwicklung eines Monitorsystems für das Opera-Muonspektrometer

• Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Produktion der Driftröhren

• Dazu auch Möglichkeiten:MC Simulation der Neutrino WW im Opera-DetektorUntersuchung des Charm Untergrundes

• Charakterisierung der Driftröhreneigenschaften,insbesondere Ortsauflösung

• Spurrekonstruktion am Opera-Muonspektrometer(Teststände und Opera-Detektor)

• Entwicklung eines Monitorsystems für das Opera-Muonspektrometer

• Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Produktion der Driftröhren

• Dazu auch Möglichkeiten:MC Simulation der Neutrino WW im Opera-DetektorUntersuchung des Charm Untergrundes


Das Double-CHOOZ ExperimentDas Double-CHOOZ Experiment

Ziel: Messung des bisher noch unbekannten Neutrinomischungswinkels θ13

– Bisher nur bekannt:sin22θ13 < 0.2 (90%CL) vom CHOOZ Experiment

– Methode:Suche nach dem Verschwinden von Reaktorantineutrinosin ca. 1km Entfernung vom Reaktor.Messung des Neutrinoflusses mit identischem Detektor bei ca. 100-200m Entfernung vom Reaktor

Ziel: Messung des bisher noch unbekannten Neutrinomischungswinkels θ13

– Bisher nur bekannt:sin22θ13 < 0.2 (90%CL) vom CHOOZ Experiment

– Methode:Suche nach dem Verschwinden von Reaktorantineutrinosin ca. 1km Entfernung vom Reaktor.Messung des Neutrinoflusses mit identischem Detektor bei ca. 100-200m Entfernung vom Reaktor


Wie kann man θ13 messen?Wie kann man θ13 messen?

Reactor experimentsReactor experiments

clean measurement of θ13clean measurement of θ13

with

D1 = 100 m D1 = 100 mD2 = 1 km D2 = 1 km

e e,,

Damit ist Verbesserung auf:sin22θ13 ≤ 0.032 (90%CL) möglichDamit ist Verbesserung auf:sin22θ13 ≤ 0.032 (90%CL) möglich


Near site: D~100-200 m, overburden 50-80 mweFar site: D~1.1 km, overburden 300 mwe

Type PWR

Cores 2

Power 8.4 GWth

Couplage 1996/1997

(%, in to 2000) 66, 57

Constructeur Framatome

Opérateur EDF

Chooz-Far

Chooz-Near

Double CHOOZDouble CHOOZ

Th. Lasserre

100-200 m

1050 m

12.7 m3

12.7 m3


nepe

Nachweis der Reaktor-Antineutrinos

Nachweis der Reaktor-Antineutrinos

Ev > 1.8 MeVEv > 1.8 MeV

promptes Ereignis: Ev – 0.77 MeV

200μsec200μsec

verzögertes Ereignis:n-Einfang an Gddabei 8MeV γ-Emission


Detektor bei 1.05 kmDetektor bei 1.05 km

Non-scintillating buffer: scintillateur+quencher DMP (r+0.95m, , V=100 m3)

-catcher: 80% dodécane + 20% PXE (r+0,6m – V= 28,1 m3)

7 m

7 m

- target: 80% dodécane + 20% PXE + 0.1% Gd (r=1,2m, h = 2,8m, 12,7 m3)

Th. Lasserre

Halle existiert schonHalle existiert schon


Double-CHOOZ Programm:Double-CHOOZ Programm:

• Im Moment Proto-KollaborationFinanzierung in Frankreich, Deutschland, Italien, USA?

• Falls erfolgreich,Start ca. 2007-2008

• Interesse von mehreren deutschen Universitätenund Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg

• Interessante Möglichleit der Reaktorüberwachung(IAEA)

• Im Moment Proto-KollaborationFinanzierung in Frankreich, Deutschland, Italien, USA?

• Falls erfolgreich,Start ca. 2007-2008

• Interesse von mehreren deutschen Universitätenund Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg

• Interessante Möglichleit der Reaktorüberwachung(IAEA)


Möglichleiten für Diplomarbeit:Möglichleiten für Diplomarbeit:

• Aufbau eines Teststandes für den Gd-geladenenSzintillator und Photomultiplier

• Studien zum Untergrund beim Double-CHOOZ Experimentes

• Entwicklung eines Kalibrationssystems für den DCHOOZDetektor

• Studien zur Bestimmung von θ13 und CP-Verletzungin Neutrinooszillationsexperimenten

• Aufbau eines Teststandes für den Gd-geladenenSzintillator und Photomultiplier

• Studien zum Untergrund beim Double-CHOOZ Experimentes

• Entwicklung eines Kalibrationssystems für den DCHOOZDetektor

• Studien zur Bestimmung von θ13 und CP-Verletzungin Neutrinooszillationsexperimenten


AusblickAusblickOffene Fragen in der Neutrinophysik:

• Wie groß ist die Masse des leichtesten Neutrinos?(Trtium-β-Zerfall, Kosmologie, 0vββ-Zerfall)welche Hierarchie?

• Majorana oder Dirac Neutrino?

• Wie groß ist θ13?

• Gibt es CP-Verletzung im Leptonsektor?

…

Offene Fragen in der Neutrinophysik:

• Wie groß ist die Masse des leichtesten Neutrinos?(Trtium-β-Zerfall, Kosmologie, 0vββ-Zerfall)welche Hierarchie?

• Majorana oder Dirac Neutrino?

• Wie groß ist θ13?

• Gibt es CP-Verletzung im Leptonsektor?

… Hilfe willkomen!


ENDEENDE


M. Apollonio et. al., Eur.Phys.J. C27 (2003) 331-374

Beste Grenze für Θ13 vom CHOOZ-ExperimentBeste Grenze für Θ13 vom CHOOZ-Experiment

for m2atm = 2×10-3 eV2

sin22θ13 < 0.2

(90% C.L)

for m2atm = 2×10-3 eV2

sin22θ13 < 0.2

(90% C.L)

Pth= 8.5 GWth, L = 1,1 km, M = 5tIm Untergrund: 300 mwe

Pth= 8.5 GWth, L = 1,1 km, M = 5tIm Untergrund: 300 mwe

Target: 5t Gd geladener (0.09%) SzintillatorTarget: 5t Gd geladener (0.09%) Szintillator

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