Vortrag zum Seminar Neutrinophysik SS2005 SOLARE NEUTRINOS von Daniel Bothner.

Vortrag zum Seminar Neutrinophysik SS2005

SOLARE NEUTRINOS

von Daniel Bothner

Inhalt

1 Entstehungsprozesse

2 Frühe Experimente

3 Erklärungsmodelle

4 Neuere Experimente

5 Zusammenfassung

Entstehungsprozesse - Bilanzgleichung______________________________________________________________

_

Sonne gewinnt ihre Energie durch Kernfusion

Bilanzgleichung:

26,73MeV2ν2eHe 4p e4

Durch zwei Prozesse realisiert:

- pp-Zyklus (ca. 98,4% der Energie)- CNO-Zyklus (ca. 1,6% der Energie)

Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus______________________________________________________________

_

p + p d + e+ + e p + p + e_ d + e

d + p 3He +

7Li + p 4He + 4He 8Be 4He + 4He

8B 8Be + e+ + e7Be + e_ 7Li + e

3He + 4He 7Be +

7Be + p 8B +

3He + 3He 4He + 2p

pep, 0,25%pp, 99,75%

hep, 0,000024%

ppII, 14%

ppI, 86%

3He + p 4He + e+ + e

ppIII, 0,003%

Entstehungsprozesse – Der CNO-Zyklus______________________________________________________________

_

13 13eN C e

15 15eO N e

17 17eF O e

15 12 4N p C He

12 13C p N

13 14C p N

14 15N p O

17 14 4O p N He

16 17O p F

15 16N p O

Entstehungsprozesse – Standard-Sonnenmodelle______________________________________________________________

_

Standardsonnenmodelle basieren auf vier Grundannahmen- Hydrostatisches Gleichgewicht- Energietransport durch Strahlung oder Konvektion- Energieerzeugung durch Kernreaktionen- Anfangszusammensetzung wie heutige Photosphärenhäufigkeiten

Dazu kommen weitere Eingabegrößen wie- Alter der Sonne, Leuchtkraft, Opazität- Wirkungsquerschnitte der Kernreaktionen

Erwartetes Neutrinospektrum bzw. Neutrinoflüsse lassen sich daraus bestimmen

Entstehungsprozesse – Das Spektrum______________________________________________________________

_

Dies ergibt für die benötigte Anzahl von Targetatomen:

Zweckmäßig wird neue Einheit definiert:

Entstehungsprozesse – Erwartungen______________________________________________________________

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terialDetektormaTonnen mehreren entspricht das Tag, pro Ereignisein für eTargetatom1030

24510 cm

121010 scmErwartete Flüsse in der Größenordnung:

ABER: Wirkungsquerschnitt nur ca.:

Sekunde und Targetatom pro Einfänge 10 SNU 1 -36

Seit 1968 von R. Davis

615t Perchlorethylen Häufigkeit von ca. 24%

Einfang von Neutrinos an 37Cl 37Cl + e 37Ar + e

_

Nachweis des radioaktiven 37Ar 37Ar + e

_ 37Cl + e (T1/2 = 35 d)

Schwellenenergie: 0,814 MeV

Misst

Frühe Experimente - Homestake ______________________________________________________________

_

)Cl(C 42

Cl37

B78% und Be15% 87


_


_

SNU 7,6 Erwartung 1,31,6-

SNU )22,0(2,56 Ergebnis

Kamioka Neutrino Detection Experiment seit 1986

Echtzeit-Cherenkov-Detektor

3000t (680t) Wasser mit 948 Photomultipliern (20% Oberfläche)

Neutrino-Elektron-Streuung

Nur -Neutrinos, daSchwellenenergie: 7,5MeV

Frühe Experimente - Kamiokande______________________________________________________________

_

B8

(schnell) e ν Ruhe)(in e ν -e

-e

Frühe Experimente - Kamiokande ______________________________________________________________

_

Frühe Experimente - Kamiokande______________________________________________________________

_

Ergebnisse: - Neutrinos kommen tatsächlich von der Sonne

- )0,06(syst.)0,04(stat.0,51B)Φ(

B)Φ(

SSM8

ex.8

3 Experimente seit 1991

Einfang von Neutrinos an 71Ga + e 71Ge + e

_

Nachweis des radioaktiven 71Ge + e

_ 71Ga + e (T1/2 = 11,4 d)

Schwellenenergie: 233 keV

Erste Experimente, die auchpp-Neutrinos messen können

Frühe Experimente – Gallium-Experimente______________________________________________________________

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Ge71

Ga71

Frühe Experimente – Gallium-Experimente ______________________________________________________________

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Gallium Experiment und Gallium Neutrino Observatory

110t -Lösung im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

Frühe Experimente – GALLEX und GNO______________________________________________________________

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3GaCl

SNU128 Erwartung 97-

(syst.)SNU6,7(stat.)69,7 Ergebnis 3,94,5-

Frühe Experimente - SAGE______________________________________________________________

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Soviet-American Gallium Experiment

60t Gallium inmetallischer Form

Im Baksan-Untergrundlabor im Kaukasus

SNU128 Erwartung 97-

(syst.)SNU10(stat.)69 Ergebnis 57-

Frühe Experimente - Ergebnisse______________________________________________________________

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Erklärungsmodelle - Ansätze______________________________________________________________

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pp-Neutrinos dürfen nicht wesentlich angetastet werden, da deren Erzeugungsrate eng mit beobachtbarer Leuchtkraft gekoppelt

Senkung der Zentraltemperatur der Sonne- niedrigerer Metallgehalt, somit niedrigere Opazität- hohe Rotationsgeschwindigkeit des Kerns- Kosmionen (WIMPs), die zum Energietransport beitragen

Änderung der Wirkungsquerschnitte für Kernreaktionen- diese sind nur aus Beschleunigerexperimenten (mit viel höheren Energien) für die Sonne herabextrapoliert

Magnetisches Moment der Neutrinos- linkshändige Neutrinos durch das Magnetfeld der Sonne in rechtshändige sterile umgewandelt

Erklärungsmodelle – Ansätze______________________________________________________________

_

Probleme:

Keines der Alternativ-Modellescheint geeignet

Helioseismologie bestätigtStandardsonnenmodell

188

87

T~B)Φ(

T~Be)Φ(

Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus______________________________________________________________

_

p + p d + e+ + e p + p + e_ d + e

d + p 3He +

7Li + p 4He + 4He 8Be 4He + 4He

8B 8Be + e+ + e7Be + e_ 7Li + e

3He + 4He 7Be +

7Be + p 8B +

3He + 3He 4He + 2p

pep, 0,25%pp, 99,75%

hep, 0,000024%

ppII, 14%

ppI, 86%

3He + p 4He + e+ + e

ppIII, 0,003%

Erklärungsmodelle – Ansätze______________________________________________________________

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Erklärungsmodelle – Neutrino-Oszillationen______________________________________________________________

_

Annahme : Flavoureigenzustände Masseneigenzustände Phänomen von Quarks bekannt

Zwingende Voraussetzungfür Oszillationen:

mm

eV

MeV

E

cm

hEL

L

LP

osz

oszeeee

2

2

32

222

48,24

sin2sin1)(

0 02 m

Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt______________________________________________________________

_

Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein-Effekt:

Unterschiedliche Wechselwirkung der Neutrinoflavours in Materie,Elektronen führen zu zusätzlichemPotential für Elektron-Neutrinos

Bei langsamer Dichteänderungam Resonanzpunkt:

Modifizierter Mischungswinkel:

e

2

22

22

/22

2sin)2(cos

2sin2sin

mENGa

a

eF

m

Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt______________________________________________________________

_

e Unterdrückung

7 Be-

Neuere Experimente - Superkamiokande______________________________________________________________

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Super Kamioka Neutrino Detection Experiment seit 1996

50000t (22000t) Wasser mit 11000 Photomultipliern(40% Oberflächenabdeckung)

Durch die Größe bessereStatistik möglich

Somit Schwellenenergienur noch 5MeV

Misst nur -NeutrinosB8

Neuere Experimente - Superkamiokande______________________________________________________________

_

Bestätigt die Ergebnisse von KamiokandeDefizit sogar noch größer

1,71,6-

SSM8

ex.8

0,46B)Φ(

B)Φ(

Neuere Experimente - SNO______________________________________________________________

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Sudbury Neutrino Observatory seit 1999

1000t schweres Wasser mit 9800 Photomultipliern

7500t reinesWasser zurAbschirmung


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Erstmals Bestimmung des totalenNeutrinoflusses möglich

Schwellenenergie: 5MeValso auch nur -Neutrinos

Erstmals direkte Untergrundbestimmung möglichdurch Wassertausch

B8

τμ,eES ν0,15Φ νΦ Φ

Neuere Experimente - SNO ______________________________________________________________

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Ergebnisse:

1-2-6

1,010,81SSM

0,460,43

0,440,43NC

0,120,12

0,240,23ES

0,090,09

0,060,05CC

scm 10in jeweils

5,05Φ

(syst.)(stat.)5,09Φ



DAS SOLARE NEUTRINOPROBLEM SCHEINT GELÖST


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LMA-Neutrinooszillationen (MSW-Effekt) bestätigt mit

0,40θn ta, eV106,5Δm 2252

Neuere Experimente - KamLAND______________________________________________________________

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Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector seit 2001

3000t Flüssigszintillator mit2000 Photomultipliern

Misst Antielektron-Neutrinosaus Reaktoren über

Schwellenenergie: 1,8MeV

)2,2( 2

MeVdpnee

nepe

Neuere Experimente - KamLAND ______________________________________________________________

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Ziel:Verifizierung der LMA-Lösungaus solaren Experimenten

Mittlere Reaktorentfernung: 180km

Vakuumoszillationslänge der 5MeVNeutrinos mit LMA-Parametern:

Test möglich!

kmmLosz 8,190105,6

548,25

Neuere Experimente - KamLAND______________________________________________________________

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L0 =180 km

KamLAND bestätigt LMA-Lösung

Wichtiges Ergebnis: Disappearance bestätigtZerfall/Dekohärenz der Neutrinos ausgeschlossenErstmals Reappearance bestätigt

Neuere Experimente - Ergebnisse______________________________________________________________

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Neutrinos entstehen in der Sonne durch pp- und CNO-Zyklus

Spektrum durch SSM berechenbar

Erste Experimente (Homestake, Kamiokande,Gallium-Experimente) zeigten Defizit

Viele Erklärungsmodelle nicht zutreffend

Neutrino-Oszillationen und MSW-Effekt vorgeschlagen

Neuere Experimente (Super-K, SNO,KamLAND) bestätigen Neutrino-Oszillationenund LMA-Lösung

Zusammenfassung______________________________________________________________

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