Neutrinos und andere Geisterteilchen

Neutrinos und andere
Geisterteilchen
M. Lindner
Elementare Bausteine der Materie
Bausteine der (normalen) Materie:
- Elektron e- Up-Quark u und Down-Quark d
Soweit bekannt punktförmig: < 0.001fm
Wechselwirkungen Kräfte, Bindungszustände
- Elektromagnetismus (elektrische und magnetische Felder, EM Wellen, Licht)
- Starke Kraft (Kernkräfte)
- Schwache Kraft (Radioaktivität)
- Gravitation
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Die theoretische Geburt der Neutrinos
Das Bild vor 1930:
-β Zerfall von Kernen
Neutron Proton +eLadungserhaltung
Das Problem:
n p +e- ist ein -2 Körperzerfall
Monoenergetische Linie
Konflikt mit dem Experiment n
p+e
Messung
?
Mögliche Lösungen:
• Verletzung der Energie- ImpulsErhaltung???
• ....
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Der Vater der Neutrinos
Energie-Impuls-Erhaltung!
postulierte ein neues Teilchen, sehr leicht, Spin ½, …
elektrisch neutral !
W. Pauli
Brief nach Tübingen im Dezember 1930:
Verzweflungstat: Neutrinopostulat…
unsichtbare Geisterteilchen
… wird man nie nachweisen können
Cowen & Reines: 1954-56 Projekt ``Poltergeist‘‘
Nachweis von Reaktor-Antineutrinos
Fluss: 1012 Neutrinos/Sekunde/mm2
3 Reaktionen /h/10m3 Wasser
Nobel Preis für Physik für F. Reines 1995
Heute: Große Experimente mit hoher Statistik
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Das Standardmodell der Teilchenphysik
Materieteilchen =
Fermionen (Spin ½)
Leptonen
Ladung
Wechselwirkungen
Quarks
stark
0
νe
νµ
ντ
+2/3
u
c
t
g
-1
e
µ
τ
-1/3
d
s
b
γ
Elektromagn. Kraft
W, Z
Schwache Kraft
u
d
d
u
Proton
u
d
+1
?
Starke Kraft
Schwerkraft
schwach
0
Neutron
Kräfteteilchen = Bosonen
(Spin 1)
Baryonen
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Anti-Teilchen
Leptonen
Quarks
Ladung
u
c
t
νe νµ ντ
νµ ντ -2/3 u
c
t
0 νe
d
s
b
e µ
τ
+1 e
τ +1/3 d
µ
s
b
stark
Wechselwirkungen
g
Starke Kraft
γ
Elektromagn. Kraft
W, Z
Schwache Kraft
?
Schwerkraft
schwach
Kräfteteilchen = Bosonen
(Spin 1)
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Kräfte = Wechselwirkungen
• Zu jeder Wechselwirkung gibt es einen Ladungstyp
• Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren jeweilige Wechselwirkungen
• Wechselwirkung erfolgt über Austauschteilchen
Photon
Gluon
Graviton
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Wie man Neutrinos sieht
Abbild im Gehirn
ÍÎ Realität
Austausch von Lichtteilchen
(Photonen) ÍÎ
elektrisch geladene Teilchen
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Sehhilfen
Optische Instrumente: Brillen, Teleskope, ...
Elektronische Geräte:
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Computer-aufbereitete Bilder:
Verstärkung, Frequenzänderung
Î Austausch von Photonen
Î man sieht nur elektrisch geladenen
Teilchen und Bindungszustände davon
Wie sieht man Neutrinos???
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β-Zerfall und inverser β-Zerfall
Radioaktiver β-Zerfall
selbstständig
durch Energiezufuhr möglich
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Eine Neutrino Nachweismethode
νe + p
ν
e
e+ + n
p
Te+
n
e+e−
γ(0.51) promptes e+ Signal
γ(0.51)
γ(2.2)
~210µs
p
d
verzögertes γ vom
Neutron-Einfang
Î Beobachtung der charakteristischen Signatur mit Photovervielfachern
Î andere Nachweismethoden…
Î Kampf gegen Untergrund Î Prof. W. Hampel
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Neutrinos Heute: Quellen & Neue Physik
ÅSonne
ÅKosmologie
ÅAtmosphäre
Astronomie: Æ
Supernovae
UHE ν‘s
...
ReaktorenÆ
BeschleunigerÆ
Laboratorien
ÅErde
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Neutrinos und die Sonne
Energiequelle: Fusionsprozesse im Sonnenkern
Gleichgewicht:
- thermaler Druck
- Gravitation
Optische Beobachtungen:
- Energiefluss
- Oberflächendynamik
> Sonnenflecken
> differentielle Rotation
> 100.000 Jahre verzögert
Neutrinos: Blick ins Herz
der Sonne mit BOREXINO
Î Dr. Schönert
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Neutrino-Mischungen
Wechselwirkungszustände und Massenzustände:
Neutrino
Masse m1
Muon-Neutrino
Neutrino
Masse m2
Muon
Kein klassisches Analogon – Quantenmechanische Überlagerung zweier Teilchen
normalerweise Mikrophysik Î QM-Effekte auf großen Skalen
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Massenzustände
Wechselwirkungszustände
• Produktion mit Leptonpartner Æ quantenmechanischer Mischzustand
• Propagation des Massenzustands als Teilchenwelle über
makroskopische Distanzen
• Nachweis eines gewissen Neutrinotyps über den Leptonpartner
Neutrino Oszillationen
Zurückgelegte Distanz
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Gibt es andere Geisterteilchen?
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Unser Sonnensystem
M. Lindner
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Unsere Galaxie
Unser Sonnensystem
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Andromeda eine Nachbargalaxie
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Tief im Kosmos
Sehen wir eigentlich alles?
Versteckte Materie?
Prinzipiell unsichtbare Materie?
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Neutrinobeitrag zur kosmischen Massenbilanz
330 Neutrinos / cm3
winzige Masse x riesige Anzahl
Gesamtmasse der Neutrinos
ÅÆrestliche
(normale) Materie!
ÅÆ
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Ist das Bild nun komplett?
M. Lindner
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Mit mit Hilfe der Gravitation sehen
Historische Methode zur Suche neuer Planeten:
Vergleich von berechneter und beobachter Bahn
bekannter Planeten Î Position neuer Planeten
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Galaktische Rotationskurven
Vergleich der von der sichtbaren
Materie erwarteten Rotationskurven
mit gravitativer Rotationsdynamik
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Erklärung: Ein Halo aus „Dunkler Materie"
sichtbare Galaxie
Unsichtbarer See von Teilchen:
WIMPs = Weakly Interacting Massive Particles
Î neue schwere Teilchen die Neutrinos ähneln
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Eine weitere Methode: Gravitationslinsen
leuchtende oder
Dunkle Materie
gravitative
Lichtablenkung
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Î indirekte Information über die Materieverteilung
M. Lindner
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Kosmische Massenbilanz
Normale Materie:
0,5% sichtbar
3,5% nicht leuchtend
bis zu 4% in Neutrinos
25% Dunkle Materie aus neuen Teilchen: WIMPs, ....
70% Energiedichte des Raums: Kosmologische Konstante, ...
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Neutrinos
Dunkle Materie
Æ WIMP‘s
Dunkle Energie
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Forschungsschwerpunkte der Abteilung:
- Neutrinos
- Dunkle Materie
- Physik jenseits des Standard Modells
Î Theorie und Experiment
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Theoretische Astroteilchenphysik
Baryonasymmetrie
des Universums
Leptonzahlverletzung
& Doppelbetazerfall
? ?
ν
Flavoursymmetrien
vereinheitlichte Theorien
Dunkle Materie
& Dunkle Energie
Neutrinomassen & Oszillation
Reaktorneutrinos
Super-beams
β-Beams
Neutrinofabriken, …
M. Lindner
Neutrinos als Sonden
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Experimentelle Projekte
GERDA
(gemeinsam mit Abteilung Hofmann)
. . . Suche nach neutrinolosem
oνββ Zerfall in 76Ge
Gran Sasso Labor, Italien
Borexino
. . . Spektroskopie solarer Neutrios
Gran Sasso Labor, Italien
Double Chooz
Neutrino-Oszillationen
M. Lindner
Chooz, Frankreich
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Weiteres Programm:
- Vortrag Prof. Hampel
Der Kampf im Untergrund gegen den Untergrund
(mit Demonstrationen)
- Pause mit Imbiß und Besichtigung der Demonstration
- Vortrag Dr. Schönert
Live-Aufnahmen aus dem Herzen der Sonne
- Film über das Untergrundlabor im Gran Sasso
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