Unfaßbare Teilchen? - Institut für Physik

Unfaßbare Teilchen?
He+
T
Neutrinos von der Sonne und auf der Erde
Christian Weinheimer mit dem Mainzer ν−Team
Physik am Samstagmorgen, 5.6.99
Was sind Neutrinos
Neutrinos von der Sonne
−
e
Neutrinooszillationen
Atmosphärische Neutrinos
CHORUS−Experiment (Video)
Neutrinomassen
Was sind Neutrinos?
Zentrale Punkte in der modernen Physik sind
Symmetrien und Erhaltungssätze:
(z.B. Energieerhaltung, Impulserhaltung,...)
1914−1930: Im β−Zerfall schien Energieerhaltung verletzt::
E = mc2 (Masse liefert Zerfallsenergie):
α−Zerfall: Eα = MAtom1c2 − MAtom2c2
Eβ
β−Zerfall: Eβ ≤ MAtom1c2 − MAtom2c2
Energy
Eα
Paulis Brief
Physikalisches Institut der Eidgenössischen Technischen Hochschule, Zürich, den 4. Dezember 1930:
Liebe radioaktive Damen und Herren,
wie der Überbringer dieser Zeilen, den ich huldvollst anzuhören bitte, Ihnen des näheren
auseinandersetzen wird, bin ich angesichts... des kontinuierlichen Beta−Spektrums
auf einen verzweifelten Ausweg verfallen, um ... den Energiesatz zu retten.
Nämlich die Möglichkeit, es könnten elektrisch neutrale Teilchen, die ich Neutronen
nennen will, in den Kernen existieren, welche das Ausschließungsprinzip befolgen und sich von
Lichtquanten außerdem noch dadurch unterscheiden, daß sie nicht mit Lichtgeschwindigkeit laufen.
Ihre Masse müßte von derselben Größenordnung wie die Elektronenmasse
sein. Ich traue mich vorläufig nicht, etwas über diese Idee zu publizieren, und wende mich
vertrauensvoll an Euch, liebe Radioaktive, mit der Frage, wie es um den experimentellen Nachweis
stände, wenn dieses Neutron ein ebensolches oder etwa 100 mal größeres Durchdringungsvermögen
besitzen würde wie ein Röntgenstrahl.
Ich gebe zu, daß mein Ausweg vielleicht von vornherein wenig wahrscheinlich erscheinen mag, weil man
die Neutronen, wenn sie existieren, wohl längst gesehen hätte. Aber nur wer wagt, gewinnt, und der
Ernst der Situation beim kontinuierlichen Beta−Spektrum wird durch einen Ausspruch meines verehrten
Vorgängers im Amte, Herrn Debye, beleuchtet, der mir kürzlich gesagt hat: ’Oh, daran soll man am
besten gar nicht denken, so wie an die neuen Steuern.’ Darum soll man jeden Weg zur Rettung ernstlich
diskutieren. Also, liebe Radioaktive, prüfet und richtet. Leider kann ich nicht persönlich in Tübingen
erscheinen, da ich infolge eines in der Nacht vom 6. zum 7. Dezember in Zürich stattfinden Balles hier
unabkömmlich bin.
Mit vielen Grüßen an Euch, Euer untertänigster Diener ... Wolfgang Pauli
Pauli postuliert Neutrino
1930: Wolfgang Pauli postuliert neues Teilchen:
Neutrino (Symbol: ν):
neutral,
sehr leicht oder masselos
⇒ Das Neutrino wird zusätzlich zum Elektron beim
β−Zerfall emittiert.
Atom1
Atom2
Elektron und Neutrino teilen sich Energie:
⇒ Eβ + Eν = MAtom1c2 − MAtom2c2
eνe
Neutrinos in Materie
Nachweis von Teilchen:
Wechselwirkung von Teilchen mit Materie (⇒Detektor):
z.B. Auge, Photodiode, Leuchtschirm, etc.
Wechselwirkung in Materie hängt sehr stark vom Teilchen ab:
(z.B. α−Teilchen und Photonen in Glasscheibe)
Problem: Neutrinos sind neutral
⇒ Wechselwirkung von Neutrinos mit Materie ist sehr sehr schwach:
(»Geisterteilchen«)
Nur 1 Neutrino von 1011 Neutrinos
aus einem β−Zerfall bleibt
in der Erde stecken
ν
Nachweis von Neutrinos
1956: experimenteller Nachweis von
Neutrinos (Cowan und Reines)
durch sehr starke Neutrinoquelle
(Kernreaktor: 6 ν pro Spaltung)
und großen Detektor (Masse: 5 t)
Reaktion: Inverser β−Zerfall
n
νe
p
e+
Signatur:
n und e+ werden
gleichzeitig
nachgewiesen
(»Koinzidenz«)
Neutrinos
neutral, Lepton, Spin ½, Masse = 0?
ν nehmen (außer Gravitation) nur an
schwacher Wechselwirkung (z.B. β−Zerfall) teil
Elektronneutrino νe tritt zusammen mit Elektron e− auf
(Immer so, daß Leptonenzahl erhalten ist):
eνe
e+
νe
νe
e-
νe
e+
z.B.: β−−Zerfall
z.B.: β+−Zerfall
z.B.: ν−Einfang
Noch 2 weitere Neutrinos: νµ und ντ (treten zusammen mit µ und τ auf)
Warum sind Neutrinos so bedeutend?
Teilchenphysik:
3 der 12 fundamentalen Teilchen sind Neutrinos:
Neutrinos
gel. Leptonen
Quarks
Quarks
ν
e
e
u
d
Familie
ν µ
µ
c
s
ν
τ
t
b
τ
Kernphysik und Nukleosynthese (Entstehung der Elemente) :
Jedes Atom (außer H) ist unter Mitwirkung von Neutrinos entstanden
Astrophysik und Kosmologie:
Universum: 109 mal mehr Neutrinos als Atome
⇒ Dunkle Materie?
330 Neutrinos/cm3
Unsere Sonne
Masse: 2 ·1030 kg
Energieproduktion: 3,9 ·1026 W
auf Erdoberfläche: 1,4 kW/m2
Bestünde die Sonne aus Kohlenstoff und Sauerstoff:
⇒ Lebensdauer ≈ 1500 Jahre
aber: geschätztes Alter: ≈ 5 Milliarden Jahre
Energieproduktion durch Kernfusion:
4 p → He + 2 e+ + 2 νe + 26.7 MeV (Hauptzweig)
(+ weitere Reaktionszweige, die auch teilweise νe erzeugen)
Kernfusion in der Sonne
Woher wissen wir das eigentlich?
Indirekt: aus der Energieabstrahlung
Direkt: nur durch Neutrinos als Sonden aus dem Sonneninnern
νe
θSonne
Super−Kamiokande
mißt Energie und
Richtung der solaren
Neutrinos
Ereignisse/Tag/kt
(Photonen von der Sonnenoberfläche stammen aus Energieerzeugung vor
≈100000 Jahren)
cosθSonne
Experimente mit solaren Neutrinos
Experimente Gallex (SAGE):
Inverser β−Zerfall von solaren νe an Gallium (71Ga)
νe
νe + 71Ga →
71
Ge + e−
radiochemischer Nachweis:
1) Chemische Abtrennung von 71Ge
2) Nachweis durch radioaktiven
Rückzerfall
Nachweiseffizienz ≈ 90 %
(geeicht mit Neutrinoquelle)
Suche nach der Nadel im Heuhaufen
110 t GaCl3: ⇒ ≈1 71Ge Atom/Tag
(das entspricht einer Konzentration von etwa 10 mg
einer Substanz über der ganzen Erde verteilt !)
Untergrundunterdrückung:
Im Innernen des Gran Sasso
Gallex (nicht maßstäblich)
νe
Spektrum der solaren Neutrinos
Wir glauben, daß wir Sonne sehr gut verstehen
und damit die Neutrinos von der Sonne, aber:
Alle Experimente (5 seit 1970): Neutrinodefizit um Faktor 2−3
Solares Neutrino Defizit
Sonnenmodell ist falsch
sehr unwahrscheinlich !
oder
Neutrinos wandeln sich auf dem Weg Sonne−Erde um:
νe wandeln sich in νµ oder ντ um
⇒Neutrinooszillationen
(Detektoren sind blind für νµ oder ντ ,
da nicht genügend Energie zur Verfügung,
um µ und τ zu erzeugen)
Oszillation von Polarisationszuständen
Laser Polarisator
doppel−
brechendes
Medium
Analysator Lichtintensität
Meßergebnisse zur Oszillation
von Polaristationszuständen
Neutrinooszillationen
Annahme:
νe (charakterisiert durch gleichzeitiges Auftreten von e−)
ist eine Überlagerung zweier Massenzustände ν1 und ν2
(ν1 und ν2 haben »verschiedene Wellenlängen«)
a(νe) =1
a(νµ) =0
ν1(m1)
a(νe) =f(L)
a(νµ) =1−f(L)
ν2(m2)
L
Aktuelle solare Neutrinoexperimente
Es gibt verschiedene aktuelle Experimente,
die die Hypothese der Neutrinooszillation testen werden:
z.B. Solar Neutrino Observatory
mit schwerem Wasser D2O:
kann nebem νe−Fluß auch
νe+νµ+ντ−Gesamtneutrinofluß messen
(über ν + D → p + n + ν, »neutraler Strom«)
Kosmische Strahlen auf der Erde
kosmische Strahlung
p, α, ..
Erdatmosphäre
sekundäre Schauer
π, µ, ν, ..
Atmosphärische Neutrinos
Pionen werden erzeugt,
die in Neutrinos zerfallen, z.B.:
π+ → µ+ + νµ
µ+ → e+ + νe + νµ
⇒ νe /νµ ≈ 2
typische ν−Energie: 1 GeV
Nachweis atmosphärischer Neutrinos
»Inverser β−Zerfall« des νe, −
νe, νµ oder −
νµ
⇒geladenes Elektron (e) oder Myon (µ) entsteht
Cherenkov−Licht:
geladenes Teilchen (hier Elektron (e) oder Myon (µ)) hat höhere
Geschwindigkeit als Lichtgeschwindigkeit im Medium: v > c/n
⇒ Abstrahlung eines Lichtkegels
(vgl: Machkegel für v > cSchall)
Nachweis des Cherenkov−Lichtes
cosθ = c/vn
Einfacher Cherenkov−Detektor
verspiegelte Thermoskanne,
gefüllt mit Wasser,
beobachtet mit Photomultiplier
Messung des Cherenkovlichtes
µ aus der Höhenstrahlung
≈ 1 µ/min/cm2
Super−Kamiokande
Superkamiokande
40m hoch, ∅40m
⇒50000t Wasser
beobachtet durch
11146 Photo−
multiplier, ∅50cm
Unterscheidung: νe von νµ
νe erzeugt e: diffuser Ring
νµ erzeugt µ: scharfer Ring
Neutrino−Oszillations−Signatur
θ
L
Je nach ν−Richtung:
verschiedene Wegstrecke L
von Entstehung bis Detektion
klares längenabhängiges
Defizit von Müonneutrinos
νµ→ντ−Oszillation
⇒Konferenz Neutrino99, Juni 1998: Evidenz für Neutrinooszillation
Experimente mit Beschleuniger Neutrinos
Herstellung, z.B. am CERN:
(“künstlicher kosmischer Schauer”)
decay
horn reflector tunnel
target
450 GeV
p
+ ; K +
iron,earth
+
=K ! + typische Neutrinoenergie:
600m
30 GeV
Chorus
Nomad
Neutrino−Oszillationen
Derzeitiges Wissen:
3 mögliche Evidenzen für
Neutrinooszillationen:
1)
solare ν:
νe → ν?
2)
atmosphärische ν: νµ → ντ
3)
LSND−Experiment: νµ → νe
Neutrinooszillationsexperimente:
Nur sensitiv auf Differenzen von
Neutrinomassenquadraten ∆m2,
nicht aber auf Neutrinomassen selbst
Bedeutung von Neutrinomassen
Teilchenphysik:
1)
2)
Massenskala aller fundamentalen Teilchen:
zur Zeit noch nicht verstanden !
Neutrinomassen → Neutrinomischungen ?
Astrophysik und Kosmologie:
1)
2)
Vom Urknall noch übrig: 330 ν/cm3
Dunkle Materie überwiegt bei weitem
den Anteil der sichtbaren Materie
Tragen die Neutrinos durch ihre Masse zur dunklen Materie bei?
Direkte Messung von me
3H
!
+ + e + e :
3He
Q = 18.6 keV
t1=2 : 12:3 a
Energie- und Impulserhaltung: m wirkt sich auf -Spektrum aus:
-Spektrum (Energiespektrum der e
):
Mainzer -Spektrometer
magnetische Fokussierung: E? ! Ek
+ electrost. Retardierung
! E 4 6eV
Mainzer 1998 Messungen des
Tritium- -Spektrums
!m
e
< 2.8 eV/c2