10.6. Neutrinos

10.6. Neutrinos
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Kap.10
Eigenschaften der Neutrinos
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Existenz von v von Pauli vorhergesagt (ß-Zerfall)
Nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige AntiNeutrinos
Genau 3 Leptonfamilien mit erhaltenem Le
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1956: ve-Nachweis (Reines&Cowan), NP 1995
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1962: vμ -Nachweis am BNL durch Lederman, Schwartz,
Steinberger, NP 1988
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2001: vτ -Nachweis am Fermilab (DONUT-Kollaboration)
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Kap.10
Fragen zu Neutrino-Eigenschaften
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Haben Neutrinos eine endliche Masse?
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Warum ist mv<<ml?
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Sind Le, Lμ, Lτ Erhaltungsgrößen?
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Ist Neutrino sein eigenes Antiteilchen?
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Sind Neutrinos stabil?
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Koppeln Neutrinos an Photonen (Ladung? Magn.
Moment?)
Was ist die kosmologische Relevanz von Neutrinos?
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Kap.10
Experimente zur Klärung der NeutrinoEigenschaften
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Teilchenzerfälle: ß-Zerfall, doppelter ß-Zerfall
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Neutrinooszillation
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Supernova-Explosionen (Kern-Kollaps)
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Universum (Kosmologie)
Neutrinoquellen
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Beschleuniger (via Zerfälle von z.B. π±,K±,μ± )
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Reaktoren
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Radioaktive Quellen
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Sonne
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Kollabierende Sterne (Supernovae)
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Kosmische Strahlung/Luftschauer
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Kap.10
Supernova SN1987a
Fehlender Strahlungsdruck:
Gravitationskollaps bis
Neutronenstern (oder schwarzes
Loch)
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Erste „moderne“ Supernova in unserer
Nachbarschaft (Grosse Magellansche Wolke d=50
kpc~150.000 Lichtjahre)
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Vorgängerstern: Blauer Überriese M=17 Msonne
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Supernova-Typ II (Kern-Kollaps): Lmax~1011 Lsonne
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Kap.10
Überblick: Stellare Evolution
Woosley & Janka 2005
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Kap.10
Kern-Kollaps-Supernova
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Nickel-Eisen-Kern -> Stabil durch degeneriertes
Elektron-Gas („weiβer Zwerg“), Masse steigt weiter
Ist M>1,4 Msonne (Chandrasekhar-Limit): Weiterer
Kollaps R~1000km –> 10 km innerhalb <1s (v~0,25c)
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e-Einfang (inv. ß-Zerfall) von ~1057 Protonen
Stabiler Zustand: Degeneriertes Neutronengas,
Radius 10-20 km (Dichte 1017-1018 kg/m3, zum
Vergleich Kernmaterie: 3x1017 kg/m3)
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Kap.10
Neutrinos
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1057 ve aus Elektroneinfang-Reaktionen:
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1058 v aus „thermischen“ Reaktionen (E=kBT~1 MeV),
dünne (~10 m) Neutrinospäre)
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Insgesamt Gravitationsenergie: E=3/5 GM2/R~1046 J
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Kinetische (Explosions-)Energie: Ekin=1044 J
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Photonen (+O(Stunden)): Ep=1043 erg
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<<1% in Gravitationswellen (instantan)
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Ca. 99% der Energie geht in Neutrinos (innerhalb von ~10
Seite s)
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Kap.10
Nachweis der Neutrinos
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Nachweisprinzip -> Cherenkov-Licht des Positrons in
Wasser (Nachweisschwelle ~ 10 MeV)
Ursprünglich Experimente zur Suche nach p-Zerfall
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Kap.10
Cherenkov-Effekt
cosθc=1/(βn)

“isotrope”
Polarisation des
Mediums
“Dipol”-Polarisation
des Mediums
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Kap.10
Neutrinosignal von SN1987A
8 Neutrinos in IMB
11 Neutrinos in K-II
5 Neutrinos in Baksan
(Uhren waren leider nicht
synchronisiert)
Zahl der Ereignisse
und Ankunftszeitverteilung
konsistent mit Erwartung
Erster und bislang einziger Nachweis von
extragalaktischen Neutrinos
(Nobelpreis 2002 für Masatoshi Koshiba)
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Kap.10
Konsequenzen: Masse und
Lebensdauer von νe (Tafel)
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Kap.10
Neutrinooszillationen (Tafel)
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Kap.10
Verallgemeinerung für 3 Neutrinos
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3 Massen: 2 Massendifferenzen (δm12,δm23)
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Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS)-Matrix
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3 Mischwinkel (θ12,θ23,θ13)
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1 Phase (δ->CP-Verletzung)
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Kap.10
Experimente zur Neutrinooszillation
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In handlicheren Einheiten:
„Appearance“ (vα->vα) oder
„Disappearance“Experimente (vα->vβ)
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Kap.10
„Appearance“-Experiment
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z.B. OPERA (Hamburger Beteiligung):
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Kap.10
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Kap.10
Energiespektrum der Neutrinos
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Kap.10
Cl-Experiment (R. Davis, NP 2002)
37
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Homestake-Goldmine (1500 uNN): Abschirmung kosmischer
Strahlung
Einfangreaktion νe+37Cl ->37Ar+e- , Energieschwelle: 817 keV
(empfindlich auf 7Be, 8B Neutrinos)
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37
Ar zerfällt mit T1/2=35d durch Elektroneinfang (37Ar+e--
>37Cl+ve unter Abstrahlung eines Photons mit 2,8 keV)
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Detektor: 615t Perchlorethylen (133 t 37Cl) mit 36Ar,38Ar zur
Kalibration
Messlauf 60 Tage, dann ausspülen, Nachweis der Photonen in
Proportionalzähler
1
37
Ar-Atom pro 2 Tage
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Kap.10
Ergebnis: Rexp=(0,33±0,05) SSM
2/3 der Neutrinos „fehlen“!
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Kap.10
Weitere Experimente
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Konsistente Resultate mit Gallium und WasserCherenkov-Detektoren
Erklärung: Neutrinooszillation
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Kap.10
SNO-Experiment (Sudbury Neutrino
Observatory in Kanada)
2070 m Tiefe
1000 t D2O
9500 Photomultiplier
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Kap.10
Resultat SNO
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B-Neutrinos:
8
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1/3 solare ve kommen als
ve auf der Erde an
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2/3 als vμ,vτ
Gesamtfluss=Solares
Standard-Modell
v-Oszillationen
etabliert
SSM verifiziert
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Kap.10
Atmosphärische Neutrinos
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Kosmische Strahlung (geladene Kerne) erzeugen
Teilchenkaskaden in der Atmosphäre
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Kap.10
Oszillation atmosphärischer Neutrinos
Super-Kamiokande
vμ und ve
Ereignisse:
12.000 Photomultiplier
50 kTonnen H2O
Kamioka-Bergwerk, Japan
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Kap.10
Ergebnis: Atmosphärische NeutrinoOszillation
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Kap.10
Zusammenfassung
Neutrinooszillation
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Solar (+Reaktor): ve->vμ,τ mit δm2~2x10-3 (eV/c2)2 und
θ~33°
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atmosphärisch (+Beschleuniger): vμ->vτ mit
δm2~2x10-3 (eV/c2)2 und θ~45°
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Vergleich der Massenmatrix und CKM-Matrix
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Kap.10
Offene Fragen
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Absolute Massenskala (siehe zB. KATRINExperiment, kosmologische Grenzen ->nächster
Abschnitt)
Präzise Werte der Massenmatrix
gibt es eine Phase (CP-Verletzung im NeutrinoSektor?)
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Kap.10