Prof. Dr. Caren Hagner - Forschungsgruppe Neutrinophysik · Diese Struktur wird besser sichtbar in...

Prof. Dr. Caren Hagner Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee 149 22761 Hamburg

Email: [email protected] Büro: DESY Gelände Bahrenfeld, Geb. 62, Zi. 210 Telefon: 040 8998 2297 Webseite: http://neutrino.desy.de/ Sprechstunden: nach Vereinbarung (email)

Forschungsgebiet: Neutrinophysik (Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik)

Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper

http://www.uni-hamburg.de/

Wiederholung: Schwache Wechselwirkung

Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 2

Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen allen fundamentalen Fermionen

Einteilung der Prozesse nach Art des Austauschbosons: • geladene Stromreaktion (engl. charged current = CC ): • neutrale Stromreaktion (neutral current = NC):

Einteilung der Prozesse nach Art der beteiligten Teilchen: • rein leptonisch:

• semileptonisch:

• nicht leptonisch:

Myon-Zerfall (teilweise Wiederholung)


Die schwache Wechselwirkung ist nicht deshalb schwach, weil die Kopplung klein ist, sondern weil das Austauschteilchen eine so große Masse hat!

Flavour (auch Flavor)


NUR die schwache Wechselwirkung kann Übergänge zwischen verschiedenen Flavorzuständen bewirken!

b

t

s

c

d

u

vv

e

ve

Wir betrachten zunächst die Übergänge zwischen den Quarks

Erklärung: Quarkmischung


Ursache: Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung ≠ Masseneigenzustände

Der Einfachkeit halber zunächst Betrachtung für 2 Generationen

Beispiele:


Historische Anmerkung: GIM Mechanismus


1963 waren nur die u,d,s Quarks bekannt

Quarkmischung mit 3 Familien


100

0cossin

0sincos

cos0sin

010

sin0cos

cossin0

sincos0

001

1212

1212

1313

1313

2323

2323

i

i

CKM

e

e

V

Es gibt viele Möglichkeiten die 4 Parameter zu wählen. Eine sehr verbreitete ist:

Gemessene Werte


Diese Struktur wird besser sichtbar in der Wolfenstein Parametrisierung (perturbative Näherung der CKM Matrix):

Quarkmischung hat stark hierarchische Struktur!

b

s

d

VVV

VVV

VVV

b

s

d

tbtstd

cbcscd

ubusud

Wiederholung: Quark-Mischung

Cabbibo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix

• 3 Mischungswinkel

• 1 Phase: ei (Bedeutung für CP-Verletzung)

BELLE II (Zukunft),

LHCb,

BELLE, BABAR,

CLEO,…

Präzisionsexperimente zur Bestimmung der Matrixelemente

b

t

s

c

d

u

b

t

s

c

d

u

Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung

Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung


Die Bedeutung der komplexen Phase der CKM-Matrix


Problem: Materie - Antimaterie Asymmetrie des Universums

A. Sacharov 1967: Kriterien um Materie-Antimaterie Asymmetrie zu erzeugen Eines davon: CP-Verletzung muss vorhanden sein!

Damals waren nur u,d,s, Quarks bekannt. 1964 wurde die CP-Verletzung der schwachen Wechselwirkung im Kaon-System entdeckt. (Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch)

Kobayashi und Maskawa erkannten, dass die Phase einer komplexen Mischungsmatrix zu CP-Verletzung führt. Allerdings muss es mindestens 3 Generationen geben, damit die Mischungsmatrix eine komplexe Phase enthalten kann. Sie sagten deshalb eine 3. Generation voraus (zu einer Zeit als noch nicht einmal die 2. Generation vollständig bekannt war!) Erst 1974 wurde das c Quark (in Form des J/Ψ Teilchens) entdeckt. Etwa ab 2000 wurde in den B-Fabriken die CP Verletzung im B-System präzise vermessen.

2008: Nobelpreis für Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa


"for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature".

Kobayashi and Maskawa wrote: "Please accept our deepest respect for the B-factory achievements. In particular, the high-precision measurement of CP violation and the determination of the mixing parameters are great accomplishments, without which we would not have been able to earn the Prize." Japanese translated: first line (three characters) reads "Ko Bayashi Makoto". The second line (four characters) reads "Masu Kawa Toshi Hide".

KEKB/Belle

Neutrinomischung (= Leptonmischung)


Bitte beachten: Da einige der folgenden Phänomene erst vor kurzem (ca. 1998 bis 2013) entdeckt wurden, kann die Darstellung in Lehrbüchern veraltet sein. In vielen Büchern kommt die Leptonmischung noch gar nicht vor.

Im Standardmodell: Neutrinos besitzen Ruhemasse = 0

Seit 1998 experimentell bewiesen: Neutrinos besitzen Ruhemasse. (Das schwerste Neutrino hat eine Masse im Bereich von ca.50meV – 2eV)

Das Standardmodell muss erweitert (geändert) werden!

Auch für die Leptonen gilt: Eigenzustände der Masse ≠ Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung

3

2

1

321

321

321

UUU

UUU

UUU eeee

„Neutrinomischung“

Parametrisierung der Neutrinomischung

Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) Matrix: • 3 Mischungswinkel: θ12, θ23, θ13 • 1 Dirac-Phase (CP verletzend): δ

Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) Matrix: • 3 Mischungswinkel: θ12, θ23, θ13 • 1 Dirac-Phase (CP verletzend): δ

3

2

1

1212

1212

1313

1313

2323

2323

100

0

0

0

010

0

0

0

001

cs

sc

ces

esc

cs

sci

i

eθ12

θ13, δ

θ23


Die Mischungswinkel können mit Hilfe von Neutrino-Oszillationen gemessen werden

3

2

1

132313231223121323122312

132313231223121323122312

1313121312

ccescsscesccss

csesssccessccs

escscc

ii

ii

i

e


v1

v2

v3

ve

vμ

vτ

θ12 θ12 ve

vμ

vτ

θ13

θ12

vτ

vμ

ve

θ23

θ13 ve

vμ

vτ

Die Mischungsmatrix beschreibt eine Rotation mit den 3 Eulerwinkeln


Was bedeutet die Neutrinomischung?

Wir können z.B. berechnen wie sich der Zustand v3 aus dem Elektron-, Myon- und Tau-Zustand zusammen setzt :

Auf diese Weise ergibt sich heute folgendes Bild (qualitativ)

ve vμ

vτ


Noch eine Darstellungsmöglichkeit:

Leptonmischung vs. Quarkmischung


0.2

Die nächste große Frage in der Neutrinophysik: Gibt es auch bei den Leptonen CP-Verletzung?

(d.h. wie groß ist die komplexe Phase δ?)

Warum sind die Strukturen so unterschiedlich? Welche neue Physik steckt dahinter?

Neutrino-Oszillationen


Sind eine Konsequenz aus Neutrinomassen und Neutrinomischung

3

2

2323

2323

cossin

sincos

Wir wissen aus dem Experiment, dass θ23 ≈ 45o:

Bedeutung: Die Wahrscheinlichkeit, dass vμ die Masse m2 hat ist cos2θ23

Um die Grundzüge des Mechanismus der Neutrino-Oszillationen zu verstehen genügt es die Mischung von 2 Flavour Zuständen mit 2 Massenzuständen zu betrachten.

Myon- und Tau-Neutrino unterscheiden sich nur in der Phasenbeziehung der beiden Massenzustände.

Mechanismus der Neutrino-Oszillationen (stark vereinfacht)


3

2

2323

2323

cossin

sincos

Flavor eigenstates vμ, vτ Mass eigenstates v2,v3 with m2, m3

W

vμ

μ

source creates flavor-eigenstates

vτ

W

τ

p,n hadrons

detector sees flavor-eigenstates

v2

v3

propagation determined by mass-eigenstates

Ozillationswahrscheinlichkeit


GeV in

km ineV in267.1sin2sin)(

22

232

23

2

E

LmP

Experimente zu Neutrino-Oszillationen


Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino eines anderen Flavors erscheint (= „Appearence“)

Wahrscheinlichkeit, dass Neutrino des ursprünglichen Flavors verschwindet („Disappearence“)

Beispiel: Messung von KamLAND


Neutrinos aus Kernreaktoren: Nur Anti-Elektron Neutrinos, im Bereich von ca. 2 - 10 MeV. KamLAND „sieht“ Anti-Neutrinos aller japanischen Kernkraftwerke. Die Energie der Anti-Neutrinos wird gemessen mit der Reaktion: Die mit der Reaktorleistung gewichtete mittlere Entfernung ist L0 ≈ 180km.

Wiederholung: Neutrinooszillationen


GeV in

km ineV in267.1sin2sin)(

22

232

23

2

E

LmP

2 2

232 2

23

in eV in km( ) 1 sin 2 sin 1.267

in GeV

m LP

E

Super-Kamiokande

atmospheric neutrinos

accelerator neutrinos

KamLAND

reactor neutrinos solar neutrinos

SNO

vμ→v,(s)

Oszillation

Δm232 ≈ 2·10-3 eV2

ve→vμ,τ

Oszillation Δm12

2 ≈ 8·10-5 eV2

+ Gallex/GNO, Sage,

Super-K, Homestake,

BOREXINO

+ K2K, MINOS,

OPERA, T2K

Die zahlreichen Oszillationsexperimente liefern ein konsistentes Bild der Neutrino Oszillationen

+ Double Chooz,

Daya Bay, RENO

Präzisionsmessung der Neutrino-Oszillationen

MINOS: Suche nach dem Verschwinden der vµ = “Disappearance Experiment”

“Measurement of the neutrino mass splitting and flavor mixing by MINOS “

MINOS Coll., Phys.Rev.Lett.106:181801,2011 (arXiv:1103.0340)

(90%CL) 90.02sin

)CL%90(eV1032.2m

23

2

2312.0

08.0

2

32

Typisches Diagramm der erlaubten Werte der Oszillationsparameter (Hier: Vergleich der Oszillationen von Neutrinos und Anti-Neutrinos bei MINOS)

MINOS arxiv:1202.2772

“Neutrino light” from the Sun (Super-Kamiokande)

Solare Neutrinos Solare Neutrinos

MeV7.2622He4 4

eep

TZentral = 15 Mio K

Solarkonstante 8.5∙1011 MeV/cm2s

6.5∙1010 ve/cm2s

Creighton Mine (Nickel)

Sudbury, Canada

Creighton Mine (Nickel)

Sudbury, Canada

Depth 2070m

1000t D2O 1000t D2O

9500 PMTs 9500 PMTs

Neutrino Nachweis in SNO

xx vnpdv

eppdve evev ee

NC

CC

ES

Ergebnis von SNO


Der gesamte Fluss der Neutrinos (Elektron-, Myon- und Tau-Flavor) stimmt mit dem vom Standard Sonnenmodell vorhergesagten überein.

Auf der Erde kommen nur 1/3 der Neutrinos als Elektron-Neutrinos an (Disappearence).

2/3 der Neutrinos werden als Myon- oder Tau-Flavor nachgewiesen. Sie sind durch Neutrino-Oszillationen aus den ursprünglich emittierten Elektron-Neutrinos hervorgegangen (Appearence).

In der Sonne kommt es durch die hohen Elektronendichten zu effektiven Mischungswinkeln und effektiven Massenzuständen ( = MSW Effekt).

Anmerkung zur Historie:

• 1957-58: B. Pontecorvo beschreibt erstmals die Möglichkeit von Neutrino Oszillationen (Weil aber damals nur ve bekannt war, dachte er an Neutrino ↔ Anti-Neutrino Oszillationen)

• 1962 Maki, Nakagawa, Sakata beschreiben die Mischung von 2 Flavors und diskutieren Übergänge zwischen den Neutrino Flavors.

• 1967 vollständige Diskussion der 2 Flavor Mischung, Möglichkeit von Oszillationen der Sonnen-Neutrinos und der Existenz von sterilen Neutrinos durch B. Pontecorvo.


Was wissen wir über die Neutrinomassen?

Δm2solar ≈ 8·10-5eV2, Δm2

atm ≈ 2·10-3eV2

v3

v1

v2

≳ 0.05 eV

normale Hierarchie

Δmsolar

Δmatm

v1

v2

v3

Invertierte Hierarchie

Δmatm

Δmsolar

v3 v1 v2

≲ 2 eV

Quasi-entartet

ve vμ

vτ

Helizität


Achtung: Die Helizität hängt vom Bezugssystem ab. Beispiel:

Chiralität (Händigkeit)


Chiralität (Händigkeit): Lorentzinvariante Größe Für masselose Teilchen (in sehr guter Näherung für Neutrinos) ist Helizität = Händigkeit linkshändig: Chiralität = -1, rechtshändig: Chiralität = +1. Für massive Teilchen gilt: Linkshändig: Die Wahrscheinlichkeit für h = -1 ist größer (proportional zu β = v/c) doch auch h = +1 kommt vor (proportional zu 1-β). Rechtshändig: Die Wahrscheinlichkeit für h = +1 ist größer (proportional zu β = v/c) doch auch h = -1 kommt vor (proportional zu 1-β).

An der schwachen Wechselwirkung nehmen nur linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen teil.

(Masselose) Neutrinos sind immer linkshändig, (masselose) Antineutrinos sind immer rechtshändig.

Maximale Verletzung der Parität in der schwachen Wechselwirkung


Vor 1956: Man nahm an, dass die Gesetze der Physik nicht zwischen Bild und Spiegelbild unterscheiden.

1956: Lee & Yang vermuten, dass dies in der schwachen WW verletzt sein könnte. Sie schlagen einen experimentellen Test vor.

1957: Experiment von C. S. Wu zum Beta-Zerfall von 60Co

Die Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung ist kein kleiner Effekt, sie ist sogar maximal! Sie ist ein Hauptmerkmal der schwachen Wechselwirkung:

Entdeckung der P-Verletzung: Experiment von C. S. Wu


Der Zerfall des Pions


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