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
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