Unsichtbare Boten aus dem All -
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Unsichtbare Boten aus dem All -
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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
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1930: Krise in der PhysikOh, daran denkt man am besten gar nicht, wie an die neuen Steuern
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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
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4.12.1930: W. Pauli an Tagung in Tbingen
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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
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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
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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
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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%)
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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
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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
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Das solare Neutrino-Problem1968 2001Das Rtsel2002Die Lsung1964Der NachweisDie Quelle
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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
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Aufbau der SonneKernfusion15 Millionen GradEnergie-Abstrahlung6000 GradRadius: 700 000 KilometerEnergie-Transport, Dauer: 10 Millionen JahreNeutrinos2,3 Sekundenn
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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
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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
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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!
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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!
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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!
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Kamiokande, Super-KamiokandeKamiokande n seit 1986Super-Kamiokande n seit 1996JLLKJNeutrinoschnelles ElektronWasserLichtLichtdetektoren4500t Wasser50000t WasserErgebnis: weniger als die Hlfte der vorhergesagten Sonnen-Neutrino-Ereignisse!
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Super-Kamiokande: Neutrino-Aufnahme der SonneKamiokande, Super-Kamiokande: Neutrinos in Echtzeit!
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Kamiokande, Super-KamiokandeKamiokande n seit 1986Super-Kamiokande n seit 1996JLLKJNeutrinoschnelles ElektronWasserLichtLichtdetektoren4500t Wasser50000t WasserMessung von Zeit und Richtung der Neutrino-Ereignisse
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Kamiokande, SK: Beginn der Neutrino-Astronomie!Super-Kamiokande Neutrino-Aufnahme der SonneKamiokande 1987: Nachweis von Neutrinosder Supernova 1987a (in 170 000 LJ Entfernung)
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23. Februar 1987: Supernova in der Grossen Maggelanschen Wolke beobachtetUmgebungskarte der Milchstrae
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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
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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
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HHeCNeOSiFeHeCNeHFeBrennzonenMasse des Eisenkerns wchst ber die Grenzmasse: Kollaps des EisenkernsStern vor Supernova
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Kern-Kollaps
1-10 SekundenNeutronenstern
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Schock-Welle
1-10 Stunden1% der Gravitationsenergie
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OptischesSignal
100 Tage0.01% der Gravitationsenergie
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Neutronen-SternNeutrinos liefern wichtige Informationen zum Kern-Kollaps
Heute: Neutrinodetektoren als Frhwarnsystem fr Supernovae
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KamiokaSuperNova Early Warning SystemGran SassoSudburySNOSuper-KamiokandeKamLANDMACROAmandaSdpol
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Amanda:
Neutrino-Observatoriumfr den Nordhimmel
... am Sdpol!Neutrino
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Amanda: Neutrino-Himmelskarte
Supernova-Frhwarn-Netzwerk Neutrino-Punktquellen Neutrinos hchster Energien
Heute: ein Ereignis alle 7 StundenZukunft: Ice Cube Ereignis in AmandaNeutrinoMyonCerenkovLichtLichtDetektoren
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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