V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen

5.1. Neutrinooszillationen

Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen:

a) Leptonzahlen sind einzeln erhalten

b) Neutrinos werden künstlich exakt masselos gesetzt

Experiment a) und b) verletzt! CKM-Formalismus auch für Leptonen (Neutrinos) Flavour-Dynamik und Leptonzahl-Dynamik Flavour-Oszillationen und Lepton-Oszillationen

genauer Neutrino-Oszillationen CP-Verletzung auch im Neutrino-Sektor

Beispiel: Betrachte nur zwei Neutrino-Sorten:

Massen-Eigenzustände 1, 2 Massen m1, m2

Schwache Eigenzustände e, z.B. via

Unitäre Transformation:

2

1

μ

e

νν

θcosθsinθsinθcos

νν

μ

e

2

1

νν

θcosθsinθsinθcos

νν

Analogon zum Cabibbo-Winkel

Experimentelle Ansätze:

Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen:

222

12

eVmδ

1

MeVE

mL

mδ

4

E

L1

2

ΔO

Sensitivitätsbedingung für m2: 2E

Lexp mδ

4σ

sonst

θ2sinθ2sinδmsin)νP(ν

22122

E4L2

ba

Ausschmierung durch experimentelle Auflösung

nur sensitiv auf

i) DisappearanceExperimente:

ii) AppearanceExperimente:

Quelle Detektor

aν aνFluss Q bekannt Fluss D wird gemessen

? QD

Quelle Detektor

μν XτNν τ

Fluss Q bekannt

,νμν πντ

μτ

τ

Neutrino-Quellen:

• Kernkraftwerke• atmosphärische Neutrinos• innere Erde• aktive galaktische Kerne

• Teilchenbeschleuniger• unsere Sonne• Supernovae

-Quelle -Typen E / MeV L / km m2|min / eV2

Reaktor 110 0103 105

Beschleuniger 103105 102103 103

Atmossphäre 102104 0104 105

Sonne 0,110 108 1012

eν

μμ ν,ν

eeμμ ν,ν,ν,ν

eν

Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne:

thermische4 Eν2Hee2p4

MeV 14,26E

MeV 59,0E

thermisch

eν2

Ethermisch Solarkonstante: 1211 s cm MeV 105,8S

Neutrinosfluss auf der Erde:

1210

21ν s cm 105,6

MeV 14,26

S

Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM

5.2. Solare Neutrinos

Reaktionen mit e-Produktion im SSM

Reaktion Abk. (cm2 s1)

eνedpp

eνdpep

e43 νeHepHe

γνLieBe e77

e88 νeBeB

e1313 νeCN

e1515 νeNO

e1717 νeOF

pp

pep

hepBe7

B8

N13

O15

F17

101099,5 81042,1 31093,7 91084,4 61069,5 81007,3 81033,2 61084,5

%1%2%16

%11

%16%30

%31%52

Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit!

Spektrum solarer Neutrinos im SSM

Experimentelle Techniken:

a) Nachweis von Kernumwandlungen

b) Realzeit-Streuexperimente

c) Tieftemperaturdetektoren

radiochemischer / geochemischer Nachweis

(Schwer-)Wasser-Target hohe Energieschwelle

Flüssigszintillator-Target niedrige Energieschwelle

Einheit für den gemessenen Neutrinofluss:

SNU (Solar Neutrino Unit)

1 SNU 1036 -Einfänge pro Sekunde und Targetkern

Detektormaterial 37Cl (Reinigungsmittel):

Argonnachweis: -Strahlung nach K-Einfang

Davis-Experiment: 500 Tonnen Detektormaterial 1-3 Reaktionen pro Monat

Resultat: e-Fluss ⅓ FlussTheorie

Mögliche Gründe:

MeV 81,0E füreArνCleν

37e

37

Strahlung-γνCleAr e37

K37

Sonnenmodell falsch? Berechneter Neutrinofluss ist extrem sensitiv auf Kerntemperatur der Sonne!

Neutrinooszillationen?

Das Pionier-Experiment (Ray Davis Jr., Homestake):Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)

Resultate für solare e-Flüsse auf der Erde

Reaktion Schwelle Fluss SSM-Vorhersage

37Cl 37Ar 814 keV 2,6 SNU 8,0 SNU

71Ga 71Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU

e e e e 57 MeV 2,35106 cm2s1 8B 5,7106 cm2s1

814 keV233 keV

5 MeV

Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen

e-Oszillation

Direkter Nachweis der solaren eOszillation

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)Target: D2 O (schweres Wasser)

Schwellenenergie: 1-2 MeV X exklusiv von 8B 8Be e e

Reaktionen:

Charged Current (CC):

Neutral Current (NC):

Elastic Scattering (EC):

eppdνe

XX νnpdν

eνeν XX

e eWn p

p p

X XZn,p

p,nn,pp,n

eX

Ze

X

ee W

ee

)ν( eCC

)ν,νν()ν( τμeeNC

)ν,νν()ν( τμe132

eEC

Lösung des solaren Neutrino-Problems

SNO,CC

SNO,NC

SNO,ECKamiokande,EC

Vorhersage SSM

Bestätigung: KamLAND-Experiment

ee ννP mit von Kernkraftwerken ( L 1001000 km )eν

km180LL0

Erde

kosmische Strahlung (p)

Luftschauer

,e

,e

Untergrund-Detektor

5.3. Atmosphärische Neutrinos

-Entstehung in hadronischen Luftschauern

,K,πNp mehr positive als negative

kosmische Strahlung

Kern in Atmosphäre

μe ννeμνμK,π

μe ννeμνμK,π

Erwartung:

2)ν(N)ν(N

)ν(N)ν(N

ee

μμ

1)ν(N

)ν(N

μ

μ 1)μ(N

)μ(N

)ν(N

)ν(N

e

e

Im Detektor: Xμ,XeNν μe,

Signatur

Das Pionier-Experiment: Super-Kamiokande

Untergrund Wasser-Cherenkov-Detektor (Kamioka-Mine)

Č-Licht eČ-Licht

e.m. Schauer

Juni 1998: Definitiver Nachweis von Neutrinooszillationen verschwinden, e werden nicht zusätzlich erzeugt

also: oder X

90% C.L.:

Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)

90,0θ2sineV100,3mΔeV109,1

atm2

232atm

23

Oszillation auf dem Weg durch die Erde

e-Fluss wie erwartet-Fluss „von unten” zu klein

-Fluss „von oben” ✔

Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits

und

Interpretation als Oszillation

Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger-

Experimenten ( L 250735 km )

km735L

atmosphärisch

km250L

Experimenteller Stand Neutrino-Oszillationen

Linien: Ausschlussgrenzen

Flächen: Messungen

Solare NeutrinosReaktor-Neutrinos

Atmosphärische NeutrinosLong Baseline -Exp.

Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände

23eV104,2

25 eV106,7 e

1

2

3

oder „invertiert”:

-Zerfall: e33 νeHeH

21

e02ν

2e0e EEmEEEK

E0 Ee

Kurie-Plot

K(Ee)

E0m

.l.c %95eV2m eν

5.4. Experimente zur Neutrinosmasse

Zerfall ruhender Pionen: μνμπ

2μ

2μπ

2μ

2π

2ν mpm2mmm

μ

.l.c %90eV190m μν

p

vom Zyklotron

Target

zum Spektrometer μp

Veto-Szintillator

Abbrems-Target und Signal-Szintillator

-Zerfall: π3ντ,ππ5ντ τ0

τ

.l.c %95MeV2,18m τν

had had

2ντ

2ν

2ντ

2ν

2τ

2had )mm(pmm2mmm

ττττ

im -Ruhesystem

maxhadτν mmmτ

m mhad

hadmd

dN

maxhadm

Doppel--Zerfall: Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen?

Ist e ein massives Teilchen?

Existieren rechtshändige e-Ströme?

E2e

e2Ed

dN

Endpunkts-Energie

Normal: L 0 eν2e22Z,AZ,A

Neutrinolos:

L 2 Majorana-

e22Z,AZ,A

Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau:

LW

LW

d

d u

u

Le

Le

Rν

LννLL mA

Majoranamasse Chiralitätsflip

LW

RW

d

d u

u

Le

Re

Rν

RνLRA

rechtshändiger geladener Strom

Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos):

eV11,0 m ββ

oder andere neue Physik stets folgt Existenz von Majorana-