Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation

AKTUELLE EXPERIMENTE UND
ERGEBNISSE ZUR NEUTRINOOSZILLATION
Florian Schneider
Seminar Astro- und Teilchenphysik
19. Januar 2009
INHALT





Historie der Neutrinophysik
Theoretische Überlegungen zur NeutrinoOszillation im Vakuum
Atmosphärische Neutrinos
Super Kamiokande
Solare Neutrinos
Chlorexperiment von Ray Davis
Super Kamiokande
Sudbury Neutrino Observatory
Reaktor Neutrinos
Double Chooz
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Florian Schneider
ECKDATEN DER NEUTRINO PHYSIK
1930
Pauli
Postuliert Neutrino
1956
Cowan & Reines
Experimenteller nachweis von
Elektronantineutrinos
1957/58
Wu, Goldhaber
Pariätsverletzung, ν´s sind linkshändig
1962
Lederman, Schwarz,
Steinberger
Nachweis μ-Neutrinos
seit 1970
Davis,…
Defizit Solarer Neutrinos
1987
Kamiokande
Nachweis von SN1987a Neutrinos
1998
Super-Kamiokande
Nachweis Oszillation atmosphärischer ν
2000
Donut
Nachweis τ-Neutrinos
2001,2002 SNO + Super-K, Gallex Nachweis Oszillation solarer Neutrinos
2002
KamLAND
Bestätigung Oszillation solarer Neutrinos
2006
K2K, Minos
Bestätigung Oszillation atmosphärischer ν
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PAULI´S POSTULAT
1914 β- Zerfall:
A
Z 1
Y
A
Z
X
Erwartetes Spektrum im Vergleich zum beobachteten
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PAULI´S POSTULAT
1930 Pauli postuliert das Neutrino:
Neutrino ist neutral; hat Spin ½; ist sehr leicht oder
gar masselos
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PAULI´S POSTULAT
ν wird zusätzlich zu dem e- während dem β- Zerfall
emittiert
A
Z 1
Y
A
Z
X
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EXPERIMENTELLER NEUTRINONACHWEIS
1956: Cowan und Reines
 e  p  e  n
Antineutrinoquelle:
Savannah River Reaktor (USA)
Versuchsanordnung:
Wassertanks A,B befinden sich
zwischen den Detektoren I,II,III
e  e   
E   0,51Mev
Signalverzögerung zwischen
Neutron und Positron
Abtrennen Untergrund
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NEUTRINOS IM TEILCHENZOO
12 Fermionen
6- linkshändige Dublets
Leptonen
 e 
  
 e L
  
  
  L
  
  
  L
Quarks
u 
 
 d L
c
 
 s L
t
 
 b L
9- rechtshändige Singulets
eR ,  R , R , uR , d R , cR , sR , t R , bR
(keine
 R in SM)
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NEUTRINO OSZILLATION
Quantenmechanik – Wellenbeschreibung
freie stabile Teilchen
 

 i  E t  p x 
 x , t    0,0  e
E  


p  k
k
2

Wahrscheinlichkeitsamplitude propagiert Wellenförmig in Raum-Zeit:
Teilchen 1 habe zur Zeit t  0 am Ort x  0 die Amplitude 1 0,0
am Ort x  L
1 L, t   1 0,0  e
 i  E t  p1  L 
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NEUTRINO OSZILLATION
zwei Teilchen mit Massen m1, m2 und gleicher Energie starten
Phasengleich bei x  0 , t  0 in gleiche Richtung
Phasen am Ort x  L
1 L, t    0,0  e i  E t  p1L 
  0,0  e  i1
2 L, t    0,0  e i  E t  p2 L 
  0,0   e i  E t  p1L   p1  p2 L 
  0,0  e i1  e i  p1  p2 L
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NEUTRINO OSZILLATION
für
E  m
p1  p2  E 2  m12  E 2  m22

m12  
m22 
   E 

  E 
2E  
2E 

m22  m12

2E
m 2

2E
2 L, t   0,0  e i1  e
i
L
m 2
2E
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NEUTRINO OSZILLATION
 e ,   werden in schw. Wechselwirkung erzeugt
2)  e ,   sind Mischungen von
Masseneigenzuständen  1 , 2 mit den Massen m1 , m2
Annahme: 1)
 e  cos 1  sin   2
    sin   1  cos   2
entsprechend:
 1  cos   e  sin   
 2  sin   e  cos   
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NEUTRINO OSZILLATION
Zur Zeit t  0 wird ein  e erzeugt.
Propagation der Masseneigenzustände  1 ,  2 .
Nach Flugstrecke L haben beide einen Phasenunterschied
e
e
i
e
i

L
m22  m12
2E
1
.

?
2
Quelle
Propagation
Nachweis
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Wahrscheinlichkeitsamplitude, dass am Ort x  L ein   vorliegt:
c  cos
s  sin 
A t      e 0  L 
   c 1  se i 2
   cc e  s    se i s e  c  




   c 2  s 2e i  e    cs e i  1 

0

 cs e i  1
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Wahrscheinlichkeit, dass am Ort x  L ein   vorliegt.

We  A t   cs e
2
 i

2
 1  sin 2 2 sin 2
 sin 2 sin
2
2

L
 sin 2 2 sin 2
2
L0
L
L0
Einführung einer Oszillationslänge L0
E
4  E
MeV
L0 

2
,
5
m

m 2 2
m 2
eV
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NEUTRINO OSZILLATION
Vakuum Oszillation für 2 Neutrinoflavours:
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Jetzt 3 Neutrinosorten:
e
Quelle
1

2
e
3

Propagation
 e 
 1 
 
 
    U   2 
 
 
 
 3
Nachweis
U 1  U 
   Ui  i
i  1,2,3
  e,  ,
i
 i   U  i    U*i  


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NEUTRINO OSZILLATION
0
0   c13
1

 
U   0 c23 s23    0
0  s
   s e  i
c
23
23  
13

0 s13e  i   c12
 
1
0     s12
0
c13   0
s12
c12
0
0

0
1 
Mit sij  sin  ij und cij  cos  ij, i  1,2 , j  2,3
3 Masseparameter
3 Mischungswinkel
1 Dirac-Phase
2
m1 , m122 , m23
12 ,13 , 23

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NEUTRINO OSZILLATION
Amplitude für Übergang      nach Strecke L:
A      0  L 
  U i    i 0  L 
i
 UiU *i e ii
i
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NEUTRINO OSZILLATION
Wahrscheinlichkeit, dass ein   in ein   übergeht:
W   A

2
* i i
U
U
 i i e
2
i
  UiU
i
Mittelwert
* 2
i
 2 Re UiU*jU *iU j e
i ij
j i
Oszillationsterm
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NEUTRINO OSZILLATION
ATMOSPHÄRISCHER NEUTRINOS
Erster Beweis
Wechselwirkung kosmischer Strahlung
in der äußeren Atmosphäre
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SUPER KAMIOKANDE
ATMOSPHÄRISCHE NEUTRINOS
Kamioka-Mine, Japan
1000m unter der Erde
50000t Wasser Cherenkov Detektor
Höhe: 40m
Ø: 40m
11146 Photomultiplier
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SUPER KAMIOKANDE
cos  
1
n
  42
Cherenkov Kegel:
•Energie
•Richtung
•e/µ-Unterscheidung
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SUPER KAMIOKANDE

Observable:
 N 


N
e  Daten

R
 N 


N
e  MonteCarlo

gemessen:
R  0,65  0,05  0,08
  - Defizit
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SUPER KAMIOKANDE
µ: scharfer Ring
e: unscharfen Ring
(vielfach Streuung, Em Schauer)
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SUPER KAMIOKANDE
Energieabhängiger
Defizit
„aufsteigender“
µ-Neutrinos
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NEUTRINO OSZILLATION
SOLARE NEUTRINOS
4 p 4He  2e   2 e
(26,7 MeV )
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NEUTRINO OSZILLATION
SOLARE NEUTRINOS
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CHLOREXPERIMENT VON RAY DAVIS
SOLARE NEUTRINOS
Exposition von 380 m3 flüssigem Perchlorethylen
(C2Cl4) in der Homestake-Mine (USA)
 e  37Cl 37Ar  e 
Es  0,814MeV
sensitiv ab 7Be-Neutrinos
Messzeit: 1970-1994: 108 Zyklen
Resultat: 0,482  0,042 Neutrinoereignisse
pro Tag
ˆ R  2,56  0,22SNU
Aus Sonnenmodell erwartet
RSSM  8,0  3,0SNU
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SUPER KAMIOKANDE
SOLARE NEUTRINOS
 e  e   e   e
Solare Neutrinos:
 e kommen von der Sonne
Rexp
RSSM
 0,49  0,03  0,06
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SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY SNO
SOLARE NEUTRINOS
Creighton Mine 2000 m unter der Erde
Sudbury, Ontario, Canada
1000t D2O
9500 Photomultiplier
Acryl Behälter Ø 12m
Innerer Schirm, 1700t H2O
Äußerer Schirm,5300t H2O
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SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY SNO
Nachweis solarer 8B-Neutrinos
 e  d  p  p  e
 x  d  p  n  x
 x  e  x  e
(CC)
(NC)
(ES)
Folgend in Einheiten 106 cm-2s-1:
 SSM  5,051,010,81
0, 09
CC  1,760,060,05 0,09
0,12
 ES  2,390, 240, 23 0,12
 NC  5,09
0, 44
0, 46
0, 43
0, 43
 e   e             
e  1,760,060,05
0, 09
   3,410, 450, 45
0, 09
0, 48
 e  5,090, 440, 43
0, 45
0, 46
0, 43
  SSM
 CC   e
 ES   e  0,154 
 NC   e   
Verifiziert durch Salt Phase
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DOUBLE CHOOZ
REAKTORNEUTRINOS
Reaktor  e disappearance Experiment:
•3 flavour Neutrino Oszillation
•Suche nach θ13
Chooz:
sin 2 213   0,2
Double Chooz:
sin 2 213   0,02  0,03
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ERGEBNISSE DER EXPERIMENTE
Atmosphärische Neutrinos:
(SK,…)
Beschleuniger Neutrinos:
(K2K, MINOS)
 -Oszillation
 e 
 1 
 
 
    U   2 
 
 

 
 3
sin 2 212   0,8600,,03
04
Solare Neutrinos:
(Homestake, Gallex, Sage,
SK, SNO)


m122  8,000,,43 105 eV 2
sin 2 2 23   0,92
2
m23
 1,9  3,0103 eV 2
Reaktor Neutrinos:
(KamLAND, CHOOZ,…)
sin 2 213   0,19
m j   0
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QUELLEN
Berger, Elementarteilchenphysik, Springer
Simonyi, Kulturgeschichte der Physik
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html
http://www.sno.phy.queensu.ca/
http://doublechooz.in2p3.fr/
Physikal Review D 74, 032002 (2006)
arXiv:nucl-ex/0309004 v1 6 Sep 2003
arXiv:hep-ex/0606025 v4 30 Oct 2006
http://www.astroteilchenschule.physik.unierlangen.de/schule2007/index.html
http://pdg.lbl.gov/
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