Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

24
Zukünftige Zukünftige Neutrinoexperimente Neutrinoexperimente und deren theoretische und deren theoretische Implikationen Implikationen DPG-Frühjahrstagung DPG-Frühjahrstagung Heidelberg Heidelberg 6. März 2007 6. März 2007 Walter Winter Walter Winter Universität Würzburg Universität Würzburg

description

Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen. DPG-Frühjahrstagung Heidelberg 6. März 2007 Walter Winter Universität Würzburg. TexPoint fonts used in EMF: A A A. Inhalt. Einführung Drei-Flavor Neutrinooszillationen Auf dem Weg zur Präzisionsmessung - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

Page 1: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

Zukünftige NeutrinoexperimenteZukünftige Neutrinoexperimenteund deren theoretische Implikationenund deren theoretische Implikationen

DPG-FrühjahrstagungDPG-Frühjahrstagung

HeidelbergHeidelberg6. März 20076. März 2007

Walter WinterWalter WinterUniversität WürzburgUniversität Würzburg

Page 2: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 2

InhaltInhalt EinführungEinführung Drei-Flavor NeutrinooszillationenDrei-Flavor Neutrinooszillationen Auf dem Weg zur PräzisionsmessungAuf dem Weg zur Präzisionsmessung Wofür sind diese Messungen gut?Wofür sind diese Messungen gut? Erweiterte Quark-Lepton-Erweiterte Quark-Lepton-

KomplementaritätKomplementarität Implikationen für 0Implikationen für 0-Zerfall-Zerfall ZusammenfassungZusammenfassung

Page 3: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 3

Das Geheimnis der fehlenden NeutrinosDas Geheimnis der fehlenden Neutrinos

Vorhergesagte Elektron-Vorhergesagte Elektron-Neutrinorate aus der Sonne Neutrinorate aus der Sonne (John Bahcall) passte nicht zur (John Bahcall) passte nicht zur Beobachtung (Ray Davis Jr.).Beobachtung (Ray Davis Jr.).

Verschwinden die Neutrinos?Verschwinden die Neutrinos?Oder war das Modell falsch?Oder war das Modell falsch?(1960er bis 90er)(1960er bis 90er)

Rate der Neutrinos von unten und Rate der Neutrinos von unten und oben kommend sollte gleich seinoben kommend sollte gleich sein

Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Hinweis auf einen Flavor-Hinweis auf einen Flavor-Übergang!Übergang!

(Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of (Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos”, 1998)atmospheric neutrinos”, 1998)

Page 4: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 4

Wohin sind die Neutrinos verschwunden?Wohin sind die Neutrinos verschwunden? Für massive Neutrinos, die mischen:Für massive Neutrinos, die mischen:

oszillieren:oszillieren:Amplitude

Frequenz

Baseline: Quelle - Detektor

Energie

(Pontecorvo, 1957; Maki, Nakagawa, Sakata, 1962)

EZ schwache WW EZ Masse

Page 5: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 5

Neutrinomischung mit drei FlavorsNeutrinomischung mit drei Flavors

( ) ( ) ( )= xx

Drei Mischungswinkel Drei Mischungswinkel , , eine CP-Phase eine CP-Phase CPCP

Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos,Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos,aber kein Einfluss auf Oszillationenaber kein Einfluss auf Oszillationen

(s(sijij = sin = sin ij ij ccijij = cos = cos ijij))

Page 6: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 6

NeutrinomassenNeutrinomassen

Zwei unabhängige Zwei unabhängige Massenquadratdifferenzen Massenquadratdifferenzen relevant für Oszillationen: |relevant für Oszillationen: |mm2121

2 2 | << || << |mm313122||

Massenspektren: Hierarchisch oder entartet?Massenspektren: Hierarchisch oder entartet?

Massenhierarchie: Massenhierarchie: Normal oder invertiert?Normal oder invertiert?

Dirac- oder Majorana-Dirac- oder Majorana-Masse?Masse?

Page 7: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 7

Drei-Flavor-NeutrinooszillationenDrei-Flavor-Neutrinooszillationen

Kopplungsstärke: 13

AtmosphärischeOszillationen:Amplitude: 23

Frequenz: m312

SolareOszillationen:Amplitude: 12

Frequenz: m212

Unterdrückter Effekt: CP

CP-Verletzung ist Voraussetzungfür Baryogenese

(Materie-Antimaterie-Asymmetrie)Ist dieser Parameter der Schlüssel?

Nur obere Grenze bisher!Ohne 13, keine CP-Verletzung

messbar und Anordnungder Massen sehr schwerzugänglich (sgn(m31

2))

(Super-K, 1998;Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002)

Page 8: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 8

Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Neutrino BeamsNeutrino Beams

Künstliche Quelle:

Beschleuniger (o. Reaktor)

Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte

, Systematik)

Ferndetektor

Baseline: L ~ E/m2

(Osz.-länge)

?

Page 9: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 9

In Betrieb: MINOSIn Betrieb: MINOS Messung der atmosphärischenMessung der atmosphärischen

Parameter mit hoher PräzisionParameter mit hoher Präzision Flavor-Konversion ?Flavor-Konversion ? Fermilab - Soudan

L ~ 735 km

Ferndetektor: 5400 tNahdetektor: 980 t

735 km

Beam line

Page 10: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 10

Die Jagd nach Die Jagd nach 1313

Beispielszenario; Beispielszenario; Bänder repräsentieren Bänder repräsentieren unbekanntes unbekanntes CPCP

Neue Generation von Neue Generation von Experimenten Experimenten dominiert sehr dominiert sehr schnell!schnell!

Neutrinofabrik:Neutrinofabrik:Reichweite Reichweite sinsin22221313 ~ 10 ~ 10-5 -5 -- 1010-4 -4

(=Oszillationsamplitude)(=Oszillationsamplitude)(aus: FNAL Proton Driver Study; Fig. von Brice, Geer, Harris, Winter, 2005)

GLoBES 2005

Page 11: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 11

Appearance-Kanäle: Appearance-Kanäle: ee

Kompliziert, enthält aber alle relevantenKompliziert, enthält aber alle relevantenInformationen: Informationen: 1313, , CPCP, Massenhierarchie (via A), Massenhierarchie (via A)

(Cervera et al. 2000; Freund, 2001; Akhmedov et al., 2004)

Page 12: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 12

Probleme mit entarteten LösungenProbleme mit entarteten Lösungen Zusammenhängende (grün) Zusammenhängende (grün)

oder nicht-oder nicht-zusammenhängende (gelb) zusammenhängende (gelb) entartete Lösungen (best. entartete Lösungen (best. confidence level) im confidence level) im ParameterraumParameterraum

Beeinträchtigen MessungenBeeinträchtigen MessungenBeispiel: Beispiel: 1313-Sensitivität-Sensitivität

(Huber, Lindner, Winter, 2002)(Huber, Lindner, Winter, 2002)

Diskrete Entartungen: Diskrete Entartungen: ((,,1313)-Entartung)-Entartung(Burguet-Castell et al, 2001)(Burguet-Castell et al, 2001)

sgn-Entartung sgn-Entartung (Minakata, Nunokawa, 2001)(Minakata, Nunokawa, 2001)

((2323,,/2-/2-2323)-Entartung )-Entartung (Fogli, Lisi, 1996)(Fogli, Lisi, 1996)

Page 13: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 13

Auf dem Weg zur PräzisionsmessungAuf dem Weg zur Präzisionsmessung… durch Auflösen der entarteten Lösungen… durch Auflösen der entarteten Lösungen

Beispiel: „Magic baseline“ Beispiel: „Magic baseline“ und Neutrinofabrik:und Neutrinofabrik:

L= ~ 3000 km (CP) + ~7500 L= ~ 3000 km (CP) + ~7500 km (Entartungen) heute km (Entartungen) heute Standardkonfiguration einer Standardkonfiguration einer Neutrinofabrik Neutrinofabrik (ISS-Studie, 2006)(ISS-Studie, 2006)

(Huber, Winter, 2003)(Huber, Winter, 2003)

Page 14: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 14

Warum diese Messungen?Warum diese Messungen? Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen

durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc.durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc. Vorhersagen für Vorhersagen für 1313, , 2323--/4, Massenhierarchie/4, Massenhierarchie, etc. , etc.

Beispiel: Literaturrecherche für Beispiel: Literaturrecherche für 1313

(Albright, Chen, 2006)

Peak generisch oder voreingenommen?

Experimenteliefern wichtige

Hinweise für Theorie

Page 15: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 15

Der Traum von der großen Der Traum von der großen VereinheitlichungVereinheitlichung

Phänomenologischer Hinweis Phänomenologischer Hinweis z. B.z. B.

(„Quark-Lepton-(„Quark-Lepton-Komplementarität“ - QLC)Komplementarität“ - QLC)

Gibt es Gibt es eineeine Größe Größe ~ ~ CC, die , die alle Mischungen und alle Mischungen und Hierarchien erklären kann?Hierarchien erklären kann?

Überbleibsel der Überbleibsel der GUTGUT

Lepton-Sektor

Quark-Sektor

Symmetrie-brechung(en)

E GUT

(Petcov, Smirnov, 1993; Smirnov, 2004; Raidal, 2004; Minakata, Smirnov, 2004)

Page 16: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 16

Manifestation von Manifestation von Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen: Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen:

mmuu:m:mcc:m:mtt==44::33:1, m:1, mdd:m:mss:m:mbb==44::22:1, m:1, mee:m:m:m:m==44::22:1:1

Neutrinomassen: Neutrinomassen: mm11:m:m22:m:m33~~22:::1, 1:1::1, 1:1: oder 1:1:1 oder 1:1:1

MischungenMischungen

11 33

11 22

33 22 11

VCKM ~

UPMNS ~ VCKM+Ubimax?

Kombination aus und max. Mischungen?

Page 17: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 17

Erweiterte Quark-Lepton-KomplementaritätErweiterte Quark-Lepton-Komplementarität

1.1. Generiere alle möglichen (reellen) UGeneriere alle möglichen (reellen) Ull, U, U mit mit

MischungswinkelnMischungswinkeln (262.144)(262.144)

2.2. Berechne UBerechne UPMNSPMNS und lese Mischungswinkel ab; und lese Mischungswinkel ab;

selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten (2.468)selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten (2.468) Keine Diagonalisierung notwendig! Keine Diagonalisierung notwendig!

Geladene Leptonen-Massenterme

Eff. Neutrino-Massenterme

vgl. gel. Strom imWW-Lagrangian

Rotiert links-händige Felder

Page 18: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 18

Vorhersagen aus erweiterter QLCVorhersagen aus erweiterter QLC Generische Vorhersagen für MischungswinkelGenerische Vorhersagen für Mischungswinkel Im Vergleich zur GUT-Literatur:Im Vergleich zur GUT-Literatur:

Kein Peak bei sinKein Peak bei sin22221313 ~ 0.04, ~ 0.04, Einige Modelle mit kleinen sinEinige Modelle mit kleinen sin22221313 ~3.3 10 ~3.3 10-5-5

(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)MADE IN WÜRZBURG

Page 19: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 19

Textur-Kombinationen aus erw. QLCTextur-Kombinationen aus erw. QLC Neue Summenregeln und systematische Neue Summenregeln und systematische

Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). Schemata).

Beispiel: Beispiel: „Diamanten “-Texturen„Diamanten “-Texturenmit neuen Summenregeln, mit neuen Summenregeln, z. B.z. B. (Plentinger, Seidl, Winter, 2006)

Page 20: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 20

Dirac- oder Majorana-Massenterme?Dirac- oder Majorana-Massenterme? 00-Zerfall-Zerfall: Testet Majorana-Eigenschaft: Testet Majorana-Eigenschaft

Rate ~ Kernphysik x Rate ~ Kernphysik x |m|meeee||

Ist das Ist das sein eigenes Antiteilchen? sein eigenes Antiteilchen?

(Heidelberg-Moscow, COBRA, EXO, NEMO, Gotthart, Majorana, etc.)

Page 21: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 21

Komplementarität 0Komplementarität 0/Long-Baseline/Long-Baseline Momentan relativMomentan relativ

großer Bereich großer Bereich theoretisch erlaubttheoretisch erlaubt

Insbesondere Insbesondere verschwindende Rate verschwindende Rate erlaubt (erlaubt (mm3131

22>0)>0) Synergien mit LBL:Synergien mit LBL:

z. B. z. B. mm3131

22<0 @ NOvA + <0 @ NOvA + Stärkerer 0Stärkerer 0-Bound -Bound = Dirac-Massenterme= Dirac-Massenterme

Leichteste Neutrinomasse

0

-Zer

fall

srat

e

Page 22: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 22

00-Zerfall und erweiterte QLC-Zerfall und erweiterte QLC Verschwin-Verschwin-

dene 0dene 0--Rate benötigtRate benötigtFine-tuning Fine-tuning von Phasenvon Phasen

Unwahrscheinlich für Unwahrscheinlich für konkrete Modellekonkrete ModelleBeispiel:Beispiel: Erweiterte Erweiterte QLCQLC(+ gleichvert.(+ gleichvert.Dirac-like Phasen)Dirac-like Phasen)

|mee| > 0.002 eV für 99%

(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)

Page 23: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 23

See-saw zur Erklärung der winzigen NeutrinomasseSee-saw zur Erklärung der winzigen Neutrinomasse

Kombinatorischer Test von See-Saw-Realisierungen: Kombinatorischer Test von See-Saw-Realisierungen: Teste ~ 3 Billionen Fälle (~ 2 Monate Rechenzeit)Teste ~ 3 Billionen Fälle (~ 2 Monate Rechenzeit)

Spezialfälle: Spezialfälle:

In der Literatur sind die meisten Fälle nicht In der Literatur sind die meisten Fälle nicht berücksichtigt!berücksichtigt!

Ausblick: See-Saw-Realisierungen?Ausblick: See-Saw-Realisierungen?

(MD, MR, Meff i.A. 3x3-Matrizen!)

(Plentinger, Seidl, Winter, in Vorbereitung)

Mehr von Gerhart Seidl am 16.4. am DESY!

VORLÄUFIG!

Page 24: Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen

06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 24

ZusammenfassungZusammenfassung Neutrinophysik auf dem Weg zur Neutrinophysik auf dem Weg zur

PräzisionsphysikPräzisionsphysik Die gemessenen Parameter geben wichtige Die gemessenen Parameter geben wichtige

Hinweise auf zugrundliegende TheorienHinweise auf zugrundliegende TheorienPerformance-Indikatoren für Modelle z. B. Performance-Indikatoren für Modelle z. B.

1313, Massenhierarchie, , Massenhierarchie, 2323--/4, |m/4, |meeee|, …|, …

Unter generischen Annahmen wird in den Unter generischen Annahmen wird in den nächsten Jahren der Druck auf den Modellbau nächsten Jahren der Druck auf den Modellbau erheblich wachsenerheblich wachsen