Experimenteller Neutrinonachweis und Helizität Tim Kaufmann Übersicht ► 1. Experimenteller Neutrinonachweis Die Reines-Cowan Experimente ► 1. ► 2. Experimentidee ► Das Hanford Experiment ► Das Savannah River Experiment Helizität Parität ► Das Wu Experiment Helizität ► Das ► 3. Goldhaber Experiment ► Der helizitätsunterdrückte Pion-Zerfall Offene Fragen Übersicht ► 1. Experimenteller Neutrinonachweis Die Reines-Cowan Experimente ► 1. ► 2. Experimentidee ► Das Hanford Experiment ► Das Savannah River Experiment Helizität Parität ► Das Wu Experiment Helizität ► Das ► 3. Goldhaber Experiment ► Der helizitätsunterdrückte Pion-Zerfall Offene Fragen Die Reines Cowan Experimente ► Nachdem Pauli das Neutrino 1930 postuliert hatte suchen Reines und Cowan in den 50er Jahren nach einer Möglichkeit des experimentellen Nachweises ► Für seine Arbeit erhielt Reines 1995 den Nobelpreis Frederik Reines Clyde L Cowan 1. Experimentidee: El Monstro ► Nachweis Zerfall. von Neutrinos über den inversen b- e ► Schwierigkeit: p n e Der Wirkungsquerschnitt für solch eine Reaktion liegt bei 6,3*10-44 cm2 (25% Unsicherheit) ► Neutrinos aus nuklearer Detonation ► Detektieren mit den gerade entwickelten flüssigen, organischen Szintillatoren (200l Kapazität, der bislang größte hatte 1l) 1. Experimentidee: El Monstro ► “We would dig a shaft near ‘ground zero‘ about 10 feet in diameter and 150 feet deep. We would put a tank, 10 feet in diameter and 75 feet long on end at the bottom of the shaft. […]“ Cowan 1. Experimentidee: El Monstro ► “As the time for the explosion approached, we would start vacuum pumps and evacuate the tank as highly as possible. Then […] we would break the suspension with a small explosive, allowing the detector to fall freely in the vacuum. For about 2 seconds, the falling detector would be seeing the antineutrinos and recording the pulses from them“ Cowan Das Hanford Experiment (1953) Hanford Experiment: Grundidee ► ► ► Detektieren des Positrons und des Neutrons aus dem inversen b-Zerfall Positron leicht zu detektieren, es vernichtet sich mit einem Elektron zu zwei Gammas mit 511 keV Neutron muss zunächst in Wasser abgebremst, dann z.B. von Cadmium eingefangen werden. n Cd ► ► Cd Cd Insgesamt werden hierbei ~9MeV frei und die von Cd emittierten Gammas sind zu den zweien aus der Vernichtung um einige ms (~3-10) zeitversetzt. Identifikation eines Neutrino-Ereignisses möglich! Hanford Experiment: Grundidee ► “Instead of detecting a burst of neutrinos in a second or two coming from the fury of nuclear explosion, we would now be able to watch patiently near a reactor and catch one every few hours or so. And there are many hours available for waiting in a month – or a year.“ Cowan Hanford Experiment: Daten ► Als Detektor wurden flüssigSzintillatoren verwendet (28 inches diameter, 30 inches high, 90 photomultiplier tubes) ► Mit 300 l Kapazität war „Herr Auge“ (Abb.) damals der größte Detektor der Welt Hanford Experiment: Einstellungen ► Als Neutrinoquelle diente der HanfordReaktor ► „Herr Auge“ wurde im Reaktorgebäude plaziert und gegen Strahlung abgeschirmt ► Je ein Ausleseapparatur für ElektronPositron Vernichtung und Neutron-Einfang ► Maximale Zeitdifferenz: 9 ms ► Erwartete Zählrate: 0,1 – 0,3 / min Hanford Experiment: Ergebnisse ► Gemessene Zählrate: 5 / min ► Sehr hohe Hintergrundstrahlung, die sich nicht abschirmen ließ => kosmische Strahlung ► Messung bei abgeschaltetem Reaktor zur Offsetbestimmung ► Leichte Erhöhung bei angeschaltetem Reaktor im Einklang mit den Erwartungen ► Dennoch kein klarer Beweis für die Existenz von Neutrinos Hanford Experiment: Ergebnisse ► “It is easy to shield out the noise men make, but impossible to shut out the cosmos. […] We did record neutrino-like signals but the cosmic rays with their neutron secondaries generated in our shield were 10 times more abundant than were the neutrino signals. We felt we had the neutrino by the coattails, but our evidence would not stand up in court.“ Cowan Das Savannah River Experiment (1955) Savannah River Experiment: Grundidee & Aufbau ► Wie beim Hanford Experiment soll die Vernichtung des Positrons und der Neutron-Einfang detektiert werden, diesmal am Savannah Reaktor. ► Dazu werden zwei Tanks (200 l) mit Wasser (Protonen für inversen b-Zerfall) und gelöstem Cadmium-Salz (Neutron-Einfang) gefüllt ► Um die Tanks herum sind 3 große Szintillatoren wie ein „Sandwich“ angeordnet ► 1400 l Kapazität und 110 PM pro Szintillator ► ~10 Tonnen Gesamtgewicht der Anlage (ohne Abschirmung) Savannah River Experiment: Aufbau ► ► ► Ein Neutrino-Ereignis in Tank A bewirkt zwei zeitlich getrennte (3-10 ms) Signale in den Szintillatoren I und II. Die Energie der Gammas reicht nicht aus, um III zu erreichen. Kosmische Strahlung verursacht zufällige Ereignisse in allen Detektoren Identifizierung möglich! Savannah River Experiment: schematischer Aufbau Savannah River Experiment: Durchführung Aus Platzgründen muss die Elektronik außerhalb des Reaktorgebäudes in einem Wagen untergebracht werden Savannah Mitarbeiter mit oberem Tank Savannah River Experiment: Ergebnisse ► Gesamte Versuchsdauer >5 Monate ► Datennahme: 900h bei laufendem, 250h bei ausgeschaltetem Reaktor Rauschsignale: o.l.: electrical noise o.r.: cosmic ray event u.l.: cosmic ray event u.r.: possibly cosmic ray event Savannah Experiment: Ergebnisse ► ► 5fache Neutrino-Aktivität bei laufendem Reaktor! Bestimmter Wirkungsquerschnitt: 6 * 10-44 cm2 Neutrino-Ereignisse: Oben: Detektor I&II (Tank A) e+: 0,3 / 0,35 MeV n: 5,8 / 3,3 MeV Dt = 2,5 ms Unten: Detektor II&III (Tank B) e+: 0,25 / 0,3 MeV n: 2,0 / 1,7 MeV Dt = 13,5 ms ► Experimenteller Nachweis des Neutrinos! Übersicht ► 1. Experimenteller Neutrinonachweis Die Reines-Cowan Experimente ► 1. ► 2. Experimentidee ► Das Hanford Experiment ► Das Savannah River Experiment Helizität Parität ► Das Wu Experiment Helizität ► Das ► 3. Goldhaber Experiment ► Der helizitätsunterdrückte Pion-Zerfall Offene Fragen Parität ► ► Als Parität bezeichnet man die Spiegelung eines Systems im Koordinatenursprung. In der Quantenmechanik ändert der Parirätsoperator das Vorzeichen jeder Ortskoordinate. Also ändert der Ortsvektor polare, nicht aber axiale Vektoren Bsp. Drehimpuls L: x p ► x p L L Der Spin kann als Eigendrehimpuls interpretiert werden. Also ist er ein Axialvektor Das Wu Experiment (1957) Wu Experiment: Grundidee ► Bis in die 50er Jahre galt die Parität in allen bekannten physikalischen Phänomenen als Erhalten. ► Lee und Yang (Bild) erdachten ein Experiment, um dies am Beispiel des b-Zerfalls für die schwache WW zu überprüfen. Beim b-Zerfall ist es möglich, den Winkel der Elektronen zu messen. Sollte hier eine Asymmetrie zwischen 0 und 180° auftreten wäre die Parität verletzt. ► ► Für ihre Theorie erhielten sie 1956 den Nobelpreis Wu Experiment: Grundidee ► Es war schon damals bekannt, dass Kobalt60 in Ce-Mg-Nitrat bei tiefen Temperaturen polarisiert und der Grad der Polarisation durch die räumliche Anisotropie der abgestrahlten Gamma-Strahlen bestimmt werden konnte 60 27 Co 60 28 60 28 Ni Ni e e e e Wu Experiment: Grundidee ► Bei Paritätserhaltung sollten 1. und 2. die gleiche Zählrate liefern ► Im Experiment von Wu wurde 3. verwendet, also einfach der Kernspin entgegengesetzt ausgerichtet. Dies ist offensichtlich identisch zu 2. So kann der selbe Zähler verwendet werden. ► Der Kernspin kann durch ein starkes Magnetfeld ausgerichtet werden Wu Experiment: Schwierigkeiten b-counter muss direkt an der Probe gelagert werden. ► Der Lösung: Anthrazen-Kristall ► Die Co60-Probe muss abgekühlt und polarisiert werden, ohne die Apparatur zu verändern Lösung: 2 senkrecht stehende Magnetfelder Wu Experiment: Aufbau Das Co60 ist von Ce-Mg-Nitrat umschlossen und lagert in einem Tank mit flüssigem Helium ► Direkt vor der Probe liegt ein Anthrazen-Sz. zur b-Detektion. ► In der nächsten Schicht folgt eine Spule zur Polarisation der Probe ► Als nächstes folgt ein Magnet zur ► adiabatischen Entmagnetisierung ► (Abkühlung von Salz und Probe) Zur Messung der Anisotropie der Gamma-Strahlung werden zwei NaJ-Sz verwendet. Wu Experiment: Durchführung Wu Experiment: Durchführung Abkühlen des Salzes auf 1K (LHe-Pumpen) ► Anlegen des horizontalen BFeldes bei konstanter Temperatur ► Herunterregeln des B-Feldes, adiabatische Entmagnetisierung (T sinkt auf 10mK) ► Anlegen des vertikalen B-Feldes ► ► Die Co60-Kerne liegen polarisiert bei 10mK vor Wu Experiment: Messung b-counter wurde zunächst auf äußere Einflüsse getestet (B-Feld, T) ; es konnten keine Beeinflussungen festgestellt werden ► Anschließend wurde die b-Pulsrate gemessen und als Funktion der Zeit aufgetragen (Asymmetrie) ► Die beiden g-counter werden auf den Photopeak eingestellt. Auch hier wurde die Zählrate als Funktion der Zeit aufgetragen (Anisotropie) ► Der Wu Experiment: Ergebnisse ► ► ► ► Es wurde eine deutliche Asymmetrie der b-Strahlung festgestellt Die zeitliche Abfolge stimmt gut mit der g-Anisotropie überein Die Richtung der Asymmetrie ändert sich nicht bei umgedrehtem B-Feld Die Richtung der Asymmetrie ist negativ, die Elektronen favorisieren eine Ausbreitung entgegen ihrer Spinrichtung Wu Experiment: Ergebnisse der Asymmetrie der b-Strahlung folgt eine Paritätsverletzung! ► Aber: Der Grad der Paritätsverletzung ist nicht genau zu bestimmen Wu-Experiment: a ~ 0,7 Lee & Yang: a -> 1 ► Heute wissen wir: Die schwache WW ist maximal paritätsverletzend ► Aus Übersicht ► 1. Experimenteller Neutrinonachweis Die Reines-Cowan Experimente ► 1. ► 2. Experimentidee ► Das Hanford Experiment ► Das Savannah River Experiment Helizität Parität ► Das Wu Experiment Helizität ► Das ► 3. Goldhaber Experiment ► Der helizitätsunterdrückte Pion-Zerfall Offene Fragen Helizität ► Helizität ist eine Kopplung zw. Spin und Impuls eines Teilchens. Klassisch ist sie als Drehsinn zu verstehen. Sie ist definiert als +1 (rechtshändig), wenn die beiden parallel liegen und -1 (linkshändig), wenn sie antiparallel liegen. H ► s p s p Bei masselosen Teilchen ist die Helizität fest. Bei massiven Teilchen lässt sie sich durch den Wechsel in ein schnelleres Bezugssystem umkehren Das Goldhaber Experiment (1957) Goldhaber Experiment: Grundidee ► “A combined analysis of circular polarization and resonant scattering of g rays following orbital electron capture measures the helicity of the neutrino.“ Goldhaber Goldhaber Experiment: Grundlagen ► Durch Elektroneneinfang einer Europiumquelle werden Neutrinos und Gammas erzeugt. ► Einige dieser Gammas haben die gleiche Helizität wie die Neutrinos ► Die Helizität dieser Photonen lässt sich prinzipiell bestimmen 152 m Eu e 152 152 Sm Sm e e Goldhaber Experiment: Grundlagen ► Betrachte Richtung des Neutrinos als Quantisierungsachse. Es folgt für sz: 152 m ► 152 152 Eu e Sm Sm e e 1 1 1 0 1 0 1 A 2 2 2 1 1 1 0 1 0 1 B 2 2 2 In beiden Fällen ist der Spin des g dem des ne entgegengesetzt. Dh für Gammas, die in genau entgegen gesetzter Richtung zum Neutrino ausgesendet werden gilt: H(g) = H(ne) Goldhaber Experiment: Grundlagen ► ► ► Um diese Gammas zu selektieren macht man sich die Resonanzstreuung zu nutze. Diese tritt normal nicht auf, da die Energie der emittierten Gammas zu gering ist Das Neutrino gibt eine Rückstoßenergie an den Sm* Kern ab. Solche Gammas, die entlang der Bewegungsrichtung des angeregten Samariumkerns abgestrahlt werden haben also eine erhöhte Energie Prinzipielle Auswahl der Photonen möglich! Kennt man jetzt noch die Polarisationsrichtung der Gammas, so ist die Helizität der Neutrinos bestimmt Goldhaber Experiment: Grundlagen ► Die Energieerhöhung lässt sich berechnen. Hierbei nutzt man aus, dass die erzeugten Neutrinos eine bekannte Energie von 950 keV haben. Unter der Annahme, dass die Neutrinos masselos sind gilt für das Ruhesystem des Samarium Kerns: p Sm ER ER p E p 950 keV 2 , M Sm 143 GeV 2 M Sm 3,12 eV Goldhaber Experiment: Grundlagen gilt also bei diametraler g-Emmision: Eg = Eexc + ER(n) ~ Eexc + 3,12 eV ► Es ► Große Überlagerung mit s(E) nur für Gammas, die entgegengesetzt zur Neutrinorichtung emittiert werden. Also werden nur solche Photonen resonant gestreut! Goldhaber Experiment: Grundlagen ► Bestimmung der Polarisationsrichtung der Gammas über WW mit Elektronen mit bekannter Polarisation: Der Wirkungsquerschnitt ist abhängig von der Polarisation der Gammas (Klein-Nishina). Gammas mit entgegen gesetzter Polarisationsrichtung können eine Drehimpulseinheit an das Elektron abgeben (Spinflip); Gammas mit gleicher Polarisationsrichtung haben einen kleineren Wirkungsquerschnitt für die WW mit Elektronen. ► Ein gestreutes Gamma hat nicht mehr genug Energie, um resonant absorbiert zu werden! Goldhaber Experiment: Aufbau & Durchführung ► ► ► ► Als Quelle dient der „brookhaven reactor“ Das 152mEu ist metastabil und muss regelmäßig neu erzeugt werden Mit dem Streumagneten wird die Polarisationsrichtung der Photonen festgelegt (Umkehr der Polarisationsrichtung alle 3 Minuten) Im Streukörper (Sm2O3) werden solche Ereignisse ausgewählt, in denen das Photon dem Neutrino entgegengesetzt emittiert wird (Resonanzstreuung) Der direkte Weg ist durch eine Bleiabschirmung versperrt Im NaJ Sz wird die Zählrate bestimmt. Der PM hat einen magnetischen Schild (Eisenzylinder) Goldhaber Experiment: Durchführung ► ► ► ► Test des Magnetschilds mit Cs137 Bestimmung des Offsets mit einem anderen Streukörper (gleiche Elektronendichte) Messung der Zählrate als Funktion der Polarisationsrichtung Insgesamt wurden 9 Messungen (3-9h Messzeit) durchgeführt Goldhaber Experiment: Ergebnisse ► ► Keine Effekte durch Umkehrung des BFeldes Gemessener Effekt nach Abzug des Offsets: N 1 2 ► ► N N N 0,017 0,003 Erwartung: d = +/- 0,025 (10% Unsicherheit) bei 100% polarisierter g-Strahlung, wobei das (-) für H>0 steht Also ist die hier untersuchte g-Strahlung zu (68+/-14)% polarisiert und hat eine negative Helizität Goldhaber Experiment: Ergebnisse & Interpretation ► Über die Unsicherheit auf die Neutrinoenergie, die Breite der g-Linie und der Tatsache, dass die Polarisation der g-Strahlung mit der relativen Richtung des Gammas zum Neutrino variiert folgerte Goldhaber, dass die optimale Polarisation bei 75% lag ► Somit war das Ergebnis kompatibel mit H(ne) = -1, das Neutrino ist also linkshändig Goldhaber Experiment: heutiges Verständis ► Mittlerweile weiß man, dass min. eine Neutrinosorte eine endliche Masse hat. ► Trotzdem hat man bisher nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos gefunden ► Die W-Bosonen koppeln im relativistischen Grenzfall ausschließlich an linkshändige Fermionen und rechtshändige Antifermionen (V – A Theorie). Evtl. findet man daher nur so geartete Neutrinos. Außerdem sind bislang alle Experimente mit der Annahme konsistent, dass es nur solche Neutrinos gibt Übersicht ► 1. Experimenteller Neutrinonachweis Die Reines-Cowan Experimente ► 1. ► 2. Experimentidee ► Das Hanford Experiment ► Das Savannah River Experiment Helizität Parität ► Das Wu-Experiment Helizität ► Das ► 3. Goldhaber Experiment ► Der helizitätsunterdrückte Pion-Zerfall Offene Fragen Helizitätsunterdrückter Pionzerfall (PSI 1993) Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: Grundlagen ► Das Pion kann auf zwei Arten zerfallen: e ► Betrachtet man nur den Phasenraum so folgt, dass ein Pion mit höherer Wahrscheinlichkeit in ein Elektron als in ein Myon zerfällt. Das Verhältnis der Zerfallsbreiten ergibt sich zu: R PR ► e e e m 2 m 2e m2 m 2e m 2 m 2 2 m Pi m 2 2 2 Zerfällt ein Pion also häufiger in ein Elektron? 3,6 Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: Grundlagen ► Betrachte nun Ruhesystem des Pions, p=0: Der Impuls von Neutrino und Lepton ist entgegengesetzt ► Das Pion hat Spin 0. Entsprechend muss sich das entstandene Lepton-Neutrino Paar ebenfalls in einem Zustand mit Spin 0 befinden, ihr Spin ist entgegengesetzt ► Lepton und Neutrino haben die gleiche Helizität ► Das Anti-Neutrino hat positive Helizität. Dies muss also ebenfalls für das Lepton gelten. Der Zerfall in ein Fermion mit negativer Helizität ist verboten Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: Grundlagen ► Allerdings koppeln die W-Bosonen bei masselosen Fermionen nur an linkshändige Teilchen. Die Helizität der Fermionen ist hierbei also „falsch“. => Im rel. Grenzfall ist der Zerfall unterdrückt! ► Es gilt: mp = 0,13957 GeV mm = 0,10566 GeV me = 0,511 MeV ► -> b = 0,26 -> b = 0,9999 Also ist der Zerfall für Elektronen deutlich stärker unterdrückt! Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: Grundlagen ► Für die Zerfallsbreiten der beiden Zerfälle gilt: l ► G l 8 2 F 2 m 2 l f m m 1 m 2 2 l 2 GF: Fermi-Konstante fp: Pion-Zerfallskonstante (unbestimmt) Betrachtet man das Verhältnis, so ergibt sich: R RPR 1 1 e e e m2e m2 m 2 m m2e m 2 2 Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: Grundlagen ► Der Wert von R wurde mehrfach theoretisch berechnet, z.B. von Marciano & Sirling 1976: R = (1,233 +/- 0,004) * 10-4 Goldman & Wilson 1977: R = (1,239 +/- 0,001) * 10-4 ► Später wurden einige Experimente zur Bestimmung von R durchgeführt, die genaueste Messung 1993 am PSI Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: PSI 1993: Aufbau ► Ein Pion-Strahl wird zunächst auf ein PlastikSzintillator-Target geschickt (5000 p+ / Sekunde) ► Dort werden die Pionen völlig abgebremst und zerfallen ► Das Target ist von Kalorimetern zur Messung der Energie umgeben Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: PSI 1993: Aufbau & Durchführung ► ► Ein p -> en Ereignis produziert 2 Pulse, einen vom gebremsten Pion und einen vom ausgesandten Positron Allerdings tritt hierbei ein starkes Offset Problem auf. Ein p -> mn Ereignis produziert 3 Pulse. Der erste kommt vom gebremsten Pion, der zweite vom Zerfall p -> mn. Das so entstandene Myon (~4MeV) wird in 1mm Targetmaterial völlig abgebremst und zerfällt in ein Positron (3. Puls): e ► e Dennoch lässt sich ein p -> en Übergang prinzipiell bestimmen. Hierbei beträgt die Positron-Energie ~70 MeV. Bei einem Hintergrundereignis nur bis zu 53 MeV Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: PSI 1993: Einstellungen ► Um das Hintergrundrauschen abzustellen wurden 2 Trigger verwendet: Maximale Zerfallszeit nach Abbremsung = 200ns (nur noch 10% der Myon-Zerfälle) Nur noch jeder 2000. Pion-zerfall wird detektiert ► Trägt man jetzt die gemessene Gesamtenergie und die TargetEnergie 2-d auf, so lassen sich die beiden Ereignisse p -> en und Hintergrund gut trennen Event-Peak bei ~ 90 MeV Gesamtund 24 MeV Targetenergie Helizitätsunterdrückter p-Zerfall: PSI 1993: Ergebnisse ► Die Rate für die Pion-Zerfälle ergibt sich über die Häufigkeiten der einzelnen Zerfälle ► Experiment: R e e 1,235 0,005 10 4 Fehler: 0,28% statistisch, 0,29% systematisch ► Bestätigung der Theorie! Übersicht ► 1. Experimenteller Neutrinonachweis Die Reines-Cowan Experimente ► 1. ► 2. Experimentidee ► Das Hanford Experiment ► Das Savannah River Experiment Helizität Parität ► Das Wu-Experiment Helizität ► Das ► 3. Goldhaber Experiment ► Der helizitätsunterdrückte Pion-Zerfall Offene Fragen Offene Fragen ► Gibt es wirklich nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige Antineutrinos? ► Widerspricht dies der Annahme, dass Neutrinos Masse haben? ► Auf welche weiteren Gebiete der Physik hat die Helizität Auswirkungen und was lässt sich daraus lernen? (bspw. tiefinelastische Neutrinostreuung) Danke!