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Neutrino-Seminar WS 03/04

M. Davids

Neutrinoquellen im Kosmos:Neutrinoquellen im Kosmos:

Martina DavidsBetreuer: Prof. M. Tonutti

Neutrino-Seminar, RWTH Aachen, WS 03/04

SupernovaeSupernovae


M. Davids

Gliederung• Supernovae - Typen und Ablauf

• Cherenkovdetektoren:• Funktionsweise• Beispiele: IMB, Kamiokande, Superkamiokande

• Erkenntnisse aus SN 1987A:• Supernovaphysik• Neutrinophysik


M. Davids

Neutrinoastronomie - Warum?Anforderungen an „gute“ Astronomie:

• keine Beeinflussung durch Magnetfelderkeine geladenen Teilchen

• Teilchen und Antiteilchen unterscheidbarγ-Strahlung nicht geeignet

• Lange Lebensdauer, durchdringend, keine Absorption

Von Neutrinos erfüllt !


M. Davids

NeutrinoquellenNeutrinoquellen• Natürliche Quellen:

• Urknall• Sonne und Sterne• Erdatmosphäre• Supernovae• β-Zerfall

• Künstliche Quellen:• Beschleuniger• Kernreaktoren


M. Davids

SupernovaeSupernovae


M. Davids

Typ ITyp I--SupernovaSupernova

• Masse < 8 M• Endet unsichtbar

oder in Explosion (Doppelsternsystem)

• Photonenluminosität größer als Neutrinoluminosität

Nicht interessant für Neutrinophysik!


M. Davids

Typ II: CoreTyp II: Core--KollapsKollaps--SNSN• M > 8 M• Kennzeichen:

– Gravitationskollaps– Neutrinoausbruch– Stoßwelle

• Meiste Energie in Neutrinos

Interessant für Neutrinophysik !!


M. Davids

Historische SupernovaeHistorische Supernovae

• 1054: in China beobachtet (Krebsnebel)• 1572: Brahe• 1604: Kepler

• weitere extragalaktische Supernovae


M. Davids

Ablauf einer Supernova:Ablauf einer Supernova:ÜberblickÜberblick


M. Davids

SNSN--Ablauf: Phase IAblauf: Phase IFusionen Überrest DauerH-Brennen He ~106 JHe C, O ~104 JC Ne, O ~600 JNe O, Mg ~1 JO Si, S ~1/2 JSi Fe, Ni ~1 Tag(Kollaps ~100 ms)

Phase II


M. Davids

SNSN--Ablauf: Phase IIAblauf: Phase II

e- + p n + νe

• Eisen-Core wächst:•Radius: 1.000 km•Masse: MCh ≈ 1,4 M

Gravitation zu groß

• Neutronisation/Deleptonisation:K o l l a p s ! !

(10% der Neutrinos)


M. Davids

SNSN--Ablauf: Phase IIIAblauf: Phase III• Core-Dichte erhöht

innere Core-Materie prallt zurück auf äußere

Stoßwelle entsteht

Hülle wird abgesprengt:eigentliche Supernova-Explosion

Aber: Stillstand der Stoßwelle möglichdann: von Neutrinos wieder in Gang gesetzt


M. Davids

SNSN--Ablauf: Phase IVAblauf: Phase IVNeutrinoausbruch:

e+ + e- ν + νthermische Paarerzeugung:

erzeugt 90% der Neutrinos

• kühlt Core ab• alle Arten gleich häufig• Energien unterschiedlich

Im Core: Neutrinos diffundieren


M. Davids

Einige Zahlen...Einige Zahlen...Freigesetzte Energie:

Anteile:

Temperatur:

Häufigkeit:

Vor Kollaps: T ≈ 5•109 K (=0,5 MeV)Bei Kollaps: T ≈ 1011 K (=10 MeV)

E = (2-3)1046 J1% Explosion der Hülle

99% Neutrinos!! (nur 1042 J el.mag. Strahlung)

• Etwa alle 40 Jahre in unserer Galaxie• Wenige optisch beobachtetDurch Neutrinodetektion höhere Rate


M. Davids

DetektorenDetektoren


M. Davids

NeutrinoNeutrino--DetektionDetektion

Probleme:• ungeladen• kaum Masse• extrem kleiner Wirkungsquerschnitt

Lösung:• Nachweis über inversen β-Zerfall (Cherenkov-Effekt)• sehr große Detektoren


M. Davids

CherenkovCherenkov--EffektEffektGeladenes Teilchen polarisiert Atome im Medium:

v < cn : kein Dipolfeld v > cn : Dipolstrahlung


M. Davids

CherenkovCherenkov--EffektEffekt IIII•Teilchenidentifikation:

•Richtungsinformation:

Geschwindigkeit:β > 1/n

bei bekanntem E abh. von m

Cherenkov-Winkel:cos(θC)=1/βn

(in Kombination mit anderen Detektoren)


M. Davids

WasserWasser--CherenkovCherenkov--DetektorDetektorWirkungsquerschnitt des inversen β-Zerfalls:

Große Wassertanks mit Photomultipliern:•viele Protonen•Cherenkov-Detektion•Nachweis auch über νe-Streuung


M. Davids

CherenkovCherenkov--RingeRingeUnterscheidung von Elektronen und Myonen:

Verwischte Kanten:Elektron

Scharfe Kanten:Myon

+Detektion in äußerer Schicht


M. Davids

Irvine Michigan Irvine Michigan BrookhavenBrookhaven(IMB)(IMB)

Maße des Detektors:• 18x17x23 m3

• 5.000 t Wasser• 600 m tief in Salzmine

•Schwellenenergie: 19 MeV

Nachgewiesene Reaktion:inv. β-Zerfall (+ νe-Streuung)


M. Davids

KamiokandeKamiokande (II)(II)Maße des Detektors:

• 15,6 m Durchmesser, 16 m hoch• über 2.000 t Wasser• 1.000 m tief in alter Mine• 950 PMT (20%)•Schwellenenergie: 7,5 MeV



M. Davids

SuperkamiokandeSuperkamiokandeMaße des Detektors:

• 40 m Durchmesser, 40 m hoch• 50.000 t ultrareines Wasser• 2.700 m tief in alter Mine• 11.200 PMT (40%)• Schwellenenergie: 5 MeV


„ Kamiokande x 2,5 “


M. Davids

SuperkamiokandeSuperkamiokande -- BilderBilder


M. Davids

SuperkamiokandeSuperkamiokande –– Bilder IIBilder II


M. Davids

SuperkamiokandeSuperkamiokande –– Bilder IIIBilder III


M. Davids

SN 1987ASN 1987A


M. Davids

Supernova 1987ASupernova 1987A24.2.1987

Große Magellansche Wolke:Supernova optisch entdeckt

SN 1987A

• 50 kpc (1,5 • 105 Lj)• Sanduleak (SK-69°202)• Masse: ca. 20 M


M. Davids

Supernova 1987ASupernova 1987A


M. Davids

Supernova 1987ASupernova 1987AAufnahme von 1994:

zeigt 3 Gasringe

Vermutung:Gas wurde von SN1987A zum Leuchten angeregt

Bis heute ein Rätsel!


M. Davids

Supernova 1987A: NeutrinosSupernova 1987A: Neutrinos

23.2.1987Neutrinos aus SN detektiert!

IMB:8 Ereignisse in 5,6 sEnergien: 19-40 MeV

Kamiokande:12 Ereignisse in 12,4 sEnergien: 7,5-36 MeV


M. Davids

Supernova 1987A: NeutrinosSupernova 1987A: Neutrinosersten Neutrinos in

Aber:Mont Blanc 5h „zu früh“

Kein Signal

Mont Blanc: 2h53min36sKamiokande: 7h35min41sIMB: 7h35min38s

2 Neutrinopulse aus Supernova??


M. Davids

Supernova 1987A: NeutrinosSupernova 1987A: Neutrinos

Energien der detektierten Neutrinos


M. Davids

SupernovaphysikSupernovaphysik

Bestätigung des Typ-II-Supernova-Modells!

νe-Flußdichte auf Erde: F = 5•109 cm-2

Gesamtzahl Neutrinos: N = 6•F•4π•L2 ≈ 8•1057

Gesamtenergie: E ≈ N • ⟨Eν⟩ ≈ 2•1046 Jmit ⟨Eν⟩=3,15•kT ≈ 12,5 MeV

aus T ≈ 4,0 MeV/k

Auch Neutronenstern-Radius, -Masse und Dauer des Neutrinopulses passen gut zur Theorie


M. Davids

Neutrinophysik: MasseNeutrinophysik: MasseBestimmung der Masse aus der Flugzeit:

Bei bekannter Energie abh. von Masse

Betrachte 2 gleichzeitig ausgesendete Neutrinos:

∆t: ZeitunterschiedE1,E2: Energien

mν < 31 eV


M. Davids

Neutrinophysik: Masse IINeutrinophysik: Masse IIAndere Abschätzung:Nur ersten 9 Neutrinos aus Kamiokande:

mν < 11 eV

ABER: Daten auch verträglich mit mν=0 !!

µ- und τ-Neutrinos: aus Dauer des Ausbruchs

mν < 30 keV


M. Davids

Neutrinophysik: LebensdauerNeutrinophysik: Lebensdauer

Grobe Abschätzung:

γτ > 1,5•105 Jahre

dabei ist γ = Eν/mν , mit Eν ≈ 12,5 MeV


M. Davids

Neutrinophysik: LadungNeutrinophysik: Ladung

Annahme: Neutrinos geladen

Ablenkung im intergalaktischen Magnetfeld

Bahnlänge und Ankunftszeit abh. von Energie

Aber: beob. Zeitfenster von 10 s

(für intergal. Magnetfeld: 10-9 G)


M. Davids

Neutrinophysik: Magn. MomentNeutrinophysik: Magn. Moment

Magn. Moment ermöglicht :

Entstehung steriler Neutrinos

kürzerer Neutrinoausbruch

energiereiche Neutrinos wieder umgewandelt

höhere Anzahl energiereicher Neutrinos

beides nicht beobachtet


M. Davids

Neutrinophysik: Neutrinophysik: Mischung+AnzahlMischung+Anzahl

Mischung:

Zu wenige Ereignisse

Anzahl:Vergleich detektierter Energie mit (nach Theorie) freigesetzter Energie:

verträglich mit Nν = 3


M. Davids

Auch ein NobelpreisAuch ein Nobelpreis

2002 an M. Koshiba:

• Für Detektion des Neutrinoschauers aus SN1987A

• Geteilt mit Raymond Davis Jr. (je ¼) • 2. Hälfte an Riccardo Giacconi(Entdeckung kosm. Röntgenquellen)

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