Unsichtbare Boten aus dem All -

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Unsichtbare Boten aus dem All -. Unsichtbare Boten aus dem All - Neutrinos. RUDOLF M EIER. auf der Erde. Die Geburt des Neutrinos (1930) Erster Nachweis (1956). von der Sonne. Das solare Neutrino-Problem (1968-2002). aus dem Kosmos. Die Supernova 1987a Neutrino-Observatorien. - PowerPoint PPT Presentation

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  • Unsichtbare Boten aus dem All -

  • Unsichtbare Boten aus dem All - NeutrinosDie Supernova 1987aNeutrino-ObservatorienDie Geburt des Neutrinos (1930)Erster Nachweis (1956)Das solare Neutrino-Problem(1968-2002)RUDOLF MEIERauf der Erdevon der Sonneaus dem Kosmos

  • 1930: Krise in der PhysikOh, daran denkt man am besten gar nicht, wie an die neuen Steuern

  • 1930: Energie-Erhaltung im Beta-Zerfall verletzt??Alpha-ZerfallU 238Th 234a (He 4)Energie des aEreignisseEnergie-ErhaltungJBeta-ZerfallVorstellung 1930Th 234Pa 234b (Elektron)Energie des bEreignisseErwartungMessungL

  • 4.12.1930: W. Pauli an Tagung in Tbingen

  • Paulis neues TeilchenNeben dem Elektron entsteht ein neutrales, leichtes Teilchen, dasdie fehlende Energie wegtrgt! Fermi 1934: Neutrino"Heute habe ich etwas getan, was man in der theoretischen Physik nie tun darf. Ich habeetwas, was nicht verstanden ist, durch etwas erklrt, was man nicht beobachten kann!"1930 bekannt:Proton, Elektron, Photon

  • Neutrino - Nachweis Nachweis von Teilchen: Wechselwirkung von Teilchen mit Materie (Detektor)

    Wechselwirkung in Materie hngt stark vom Teilchen ab:

    Geladene Teilchen: Ionisation der Materie

    Photonen: Energiebertrag auf geladene TeilchenNeutronen: Kernreaktionen liefern geladene Teilchen

    Neutrinos wechselwirken sehr schwach:

    Nur eins von 100 Milliarden Neutrinos aus einem b-Zerfall bemerkt die Erde.

    Berechnet 1934: HoffnungslosNebelkammer

  • Antineutrinos aus der KernspaltungKernreaktor: etwa 10 Antineutrinos pro Spaltung!C. Cowan und F. Reines 19561013 Antineutrinos pro cm2 pro Sekunde (10 m entfernt)

    Etwa 3 Antineutrino-Reaktionen pro Stunde in einem 5 Tonnen - Detektor .C. Cowan, F. ReinesNobelpreis 1995W. Pauli 1956

  • NeutrinosLeptonen (leichte Teilchen) keine elektrische Ladung Masse < Elektronmasse/100000 Schwache Wechselwirkung Sonnea CentauriSirius1 Lichtjahr9 Billionen kmBleinUm Neutrinos von der Sonne abzuschirmenwird 1LJ Blei bentigt!

    (Abschirmung von 90%)

  • Unsichtbare Boten aus dem All - NeutrinosDie Supernova 1987aNeutrino-ObservatorienDie Geburt des Neutrinos (1930)Erster Nachweis (1956)Das solare Neutrino-Problem(1968-2002)RUDOLF MEIERauf der Erdevon der Sonneaus dem Kosmos

  • die zur Entdeckung von kosmischen Rntgenquellen gefhrt haben Fr bahnbrechende Arbeiten in der Astrophysik, insbesondere fr den Nachweis kosmischer NeutrinosRaymond DavisMasatoshi KoshibaRiccardo GiacconiNobelpreis fr Physik 2002

  • Das solare Neutrino-Problem1968 2001Das Rtsel2002Die Lsung1964Der NachweisDie Quelle

  • Die Sonne strahlt enorme Energiemengen ab seit einigen Milliarden Jahren!

    welche Energiequelle?Chemische Reaktionen: 2500 Jahre LGravitationsenergie: 20 Millionen JahreL

    Kernfusion: 10 Milliarden JahreJEnergiequelle der SonneEnergie aus 1g Wasserstoff: 200000 kWhWasserstoff-Fusion: Protonen tragen elektrische Ladung Protonen stossen einander ab

    Fusion findet nur bei hohen Dichten und Temperaturen statt

    Im Zentrum der Sonne!Neutrinos

  • Aufbau der SonneKernfusion15 Millionen GradEnergie-Abstrahlung6000 GradRadius: 700 000 KilometerEnergie-Transport, Dauer: 10 Millionen JahreNeutrinos2,3 Sekundenn

  • Neutrinos aus der Sonne Bekannt: insgesamt abgestrahlte Energie Bekannt: Energie pro Fusionsprozess

    Anzahl der pro s erzeugten Neutrinos! Auf Erde: 66 Milliarden n pro s pro cm2Energie der einzelnen Neutrinos

  • Nachweis von solaren NeutrinosEinfang von Neutrinos an 37Cl-Kernen

    Nachweis des radioaktiven 37Ar

    Sto von Neutrinos mit Elektronen

    Nachweis der schnellen Elektronen

    R. Davis1964 Homestake-GoldmineM. Koshiba1986 KamiokandeMindest-Neutrinoenergie: 0.8 MeV5 Milliarden n /s/cmMindest-Neutrinoenergie: 7.5 MeV 5 Millionen n /s/cmErwartete Umwandlungenin 600t C2Cl4 pro Tag:1,5Erwartete Ereignissein 4500t Wasser pro Tag:0,3Neutrino-Energie in MeVNeutrino-Anzahl0.3110

  • Das Davis-ExperimentHomestake-Goldmine: unter 1400m FelsTank mit 600t (380 000l) C2Cl4

    Verlauf eines Messzyklus (40 Tage):

    Zugabe von 0.2ml 38Ar (6 Trillionen Atome)

    40 Tage Neutrino-Bestrahlung... Erwartet: 60 Atome 37Ar

    Aussplen des Argon mit Helium Trennung des Ar vom He durch Ausfrieren Etwa 95% des zugesetzten Argon werden wiedergewonnen, es sollten also auch 95% des entstandenen 37Ar gefunden werden

    Nachweis der Anzahl gefundener 37Ar Kerne durch ihren Zerfall.

    Ergebnis: es lassen sich statt der erwarteten60 nur etwa 20 Umwandlungen nachweisen!

  • VorhersageExpn-AnzahlDas solare Neutrino-Defizit

    Ergebnis des Homestake-Experiments

    erste Verffentlichung 1968, seitdem vieleMesszyklen mit immer hherer Genauigkeit.

    Es wird nur etwa ein Drittel der vorhergesagtenSonnen-Neutrinos nachgewiesen!

  • Das solare Neutrino-Defizit: Erklrungs-Anstze1. Das Experiment ist falsch!2. Das Sonnenmodell ist falsch!3. Mit den Neutrinos stimmt was nicht!ne4. Mit der Sonne stimmt was nicht!

  • Kamiokande, Super-KamiokandeKamiokande n seit 1986Super-Kamiokande n seit 1996JLLKJNeutrinoschnelles ElektronWasserLichtLichtdetektoren4500t Wasser50000t WasserErgebnis: weniger als die Hlfte der vorhergesagten Sonnen-Neutrino-Ereignisse!

  • Super-Kamiokande: Neutrino-Aufnahme der SonneKamiokande, Super-Kamiokande: Neutrinos in Echtzeit!

  • Neutrino-OszillationenneIdee: wenn Neutrinos eine Masse haben, knnten sie sich ineinander umwandeln!Annahme: Mischung von

    Vernderung eines Neutrino-strahls mit dem Abstand von der Neutrinoquelle:ne und nmAnteil am StrahlAbstand von der Quellenenm

  • Nachweis von Neutrino-OszillationenMessung der ursprnglichenNeutrinosorte in verschiedenen Abstnden L von der Quelle1Anteil am Strahln1n2LMessung der ursprnglichenund der entstehenden Neutrinosorte im Abstand L2Anteil am Strahln1n2L1998: Nachweis der Oszillation zwischen Myon- und Tau-Neutrinos mit Methodedurch Super-Kamiokande (Myon-Neutrinos aus der Atmosphre) 1

  • berprfung der Oszillations-Hypothese fr solare Neutrinos Bisher: Nachweis nur der Elektron-NeutrinosHomestakeKamiokandeunwahrscheinlich,ununterscheidbar()SNO: Nachweis verschiedener Neutrino-Sorten durch verschiedene Reaktionen an D2OSNO 20021000t schweres WasserSudbury Neutrino Observatory, KanadaNur Elektron-Neutrino:Mit gleicher Wahrscheinlichkeit fr alle Neutrinos:NachweisNachweis

  • Rtsel gelst solare NeutrinosResultat SNO 2002:Vorhersagenen-AnzahlAlle NeutrinosSNO-ExperimentSolares Neutrino-Defiziterklrt durch Neutrino-Oszillationen!Neutrinos haben eine Masse!Physical Review Letters 89, 011301 (2002)Masse klein: nicht strukturbildende dunkle Materie

  • Das solare Neutrino-Problem66 Mrd Neutrinos/s/cm2Ab 1964: Nachweis imHomestake-ExperimentErwartet: 1,5 Reaktionen/dGefunden: 0.5 Reaktionen/dAb 1986 Kamiokande:Besttigt HomestakeMgliche Erklrung:Neutrino-OszillationSolaresNeutrinoProblemGelst!2002 SNO-Experiment:Prft Neutrino-OszillationSolaresNeutrinoProblemSonneSeit 4.5 Mrd JahrenFusion

  • Unsichtbare Boten aus dem All - NeutrinosDie Supernova 1987aNeutrino-ObservatorienDie Geburt des Neutrinos (1930)Erster Nachweis (1956)Das solare Neutrino-Problem(1968-2002)RUDOLF MEIERauf der Erdevon der Sonneaus dem Kosmos

  • Kamiokande, Super-KamiokandeKamiokande n seit 1986Super-Kamiokande n seit 1996JLLKJNeutrinoschnelles ElektronWasserLichtLichtdetektoren4500t Wasser50000t WasserMessung von Zeit und Richtung der Neutrino-Ereignisse

  • Kamiokande, SK: Beginn der Neutrino-Astronomie!Super-Kamiokande Neutrino-Aufnahme der SonneKamiokande 1987: Nachweis von Neutrinosder Supernova 1987a (in 170 000 LJ Entfernung)

  • 23. Februar 1987: Supernova in der Grossen Maggelanschen Wolke beobachtetUmgebungskarte der Milchstrae

  • Ausbruch der Supernova 1987a: mit bloem Auge gerade noch sichtbar

    Entdeckung: Ian Shelton am Las Campanas Observatory, Chile: 6:30 Uhr 24. Februar

    Letzte Beobachtung ohne Supernova: 9:30 Uhr 23. FebruarErste Beobachtung (auf Fotoplatte): 10:30 Uhr 23. Februar

    Neutrino-Ereignisse in Kamiokande, IMB, Baksan 7:35 Uhr 23. FebruarZeiten GMT

  • Neutrinos von SN 1987aGre des Signals: 11 Neutrino-Ereignisse in 13 Sekunden in KamiokandeZum Vergleich: erwartet wird 1 Sonnenneutrino-Ereignis alle 3 TageSichtbares Licht:

    SN1987a berstrahlt alleSterne der Mag. Wolke

    Gerade noch sichtbar mit bloem Auge Neutrinos:

    SN1987a berstrahlt freinige Sekunden die Sonne um viele Grenordnungen!

    Neutrinos kommen >2h frher

  • HHeCNeOSiFeHeCNeHFeBrennzonenMasse des Eisenkerns wchst ber die Grenzmasse: Kollaps des EisenkernsStern vor Supernova

  • Kern-Kollaps

    1-10 SekundenNeutronenstern

  • Schock-Welle

    1-10 Stunden1% der Gravitationsenergie

  • OptischesSignal

    100 Tage0.01% der Gravitationsenergie

  • Neutronen-SternNeutrinos liefern wichtige Informationen zum Kern-Kollaps

    Heute: Neutrinodetektoren als Frhwarnsystem fr Supernovae

  • KamiokaSuperNova Early Warning SystemGran SassoSudburySNOSuper-KamiokandeKamLANDMACROAmandaSdpol

  • Amanda:

    Neutrino-Observatoriumfr den Nordhimmel

    ... am Sdpol!Neutrino

  • Amanda: Neutrino-Himmelskarte

    Supernova-Frhwarn-Netzwerk Neutrino-Punktquellen Neutrinos hchster Energien

    Heute: ein Ereignis alle 7 StundenZukunft: Ice Cube Ereignis in AmandaNeutrinoMyonCerenkovLichtLichtDetektoren

  • Unsichtbare Boten aus dem All - NeutrinosSupernova-FrhwarnsystemNeutrino-AstronomieNeutrino zur Rettung der Energie-ErhaltungNachweis: Reaktor-NeutrinosDirekter Nachweis der FusionNeutrino-OszillationenRUDOLF MEIERauf der Erdevon der Sonneaus dem Kosmos