Ergebnisse der Neutrinophysik und Auswirkungen auf die
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Ergebnisse der Neutrinophysik und Auswirkungen auf die Theorie M. Lindner Technische Universität München Physik jenseits des Standardmodells Theoretische Argumente: SM existiert nicht ohne Cutoff Higgs-Dublett = nur einfachste Erweiterung Hierarchieproblem Warum gibt es 3 Generationen? Viele Parameter (9+? Massen, 4+? Mischungen) Ladungsquantisierung Vereinigung: GUTs, ..., Gravitation, .... Experimentelle Fakten: • Dunkle Materie & Dunkle Energie existieren! • Neutrinomassen sind nachgewiesen! • Baryon-Asymmetrie des Universums m ν> 0 erfordert Physik jenseits des Standardmodells Ergebnisse Implikationen für die Theorie M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 2 See-saw Annahmen: • 3 νR • Rang(MR=3) sterile ν´s Hebel für Physik bei sehr hohen Skalen M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 3 Parameter für 3 leichte Neutrinos (alternativ auch Φ2, Φ3) Fragen: Massenspektrum, Mischungen, CP-Phasen Dirac/Majorana M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 4 Kinematische Massenbestimmung T404 M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 5 Neutrino-loser doppelter β-Zerfall ~< 0.35 eV ? Heidelberg-Moskau Exp. T404.7 M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 6 0n2b/2 |<m>| > 10-2 eV M. Lindner Feruglio, Strumia, Vissani invertierte Hierarchie DPG Frühjahrstagung 2004 7 Kosmologie und Neutrinos 330 Neutrinos / cm3 • Masse aller Neutrinos: Ων ~ 0.01 • Baryonische Materie ΩΒ ~ 0.05 • Rest: Dunkle Materie & Dunkle Energie Auswirkungen der Neutrinos: M. Lindner - Big Bang Nuklueosynthese - ... - Strukturbildung - Baryonasymmetrie DPG Frühjahrstagung 2004 8 Kosmologie und Neutrinomassen • Neutrinos sind heiße Dunkle Materie Strukturbildung auf kleinen Skalen (großen k) verschmiert • WMAP+2dFGRS + Lyα Massengrenze: Σmν< 0.7 ... 1.2 eV • 3 degenerierte Neutrinos mν < 0.4 eV • erwartete Verbesserung: ~Faktor 5 • Vergleich mit LSND • KATRIN T404 WMAP, astro-ph/0309209 M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 9 Neutrino-Oszillationen 2 Neutrinoarten: νe,ν νµ 2ν ν-ÜbergangsWahrscheinlichkeit: νe , νµ , ντ 9 Oszillationskanäle für Neutrinos νe , νµ , ντ 9 Kanäle für Antineutrinos ( jeweils 3ν ν!) M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 10 Oszillationssignale NeurinooszillationsSignale Quantenmechanik @ bis zu 1011 Meter! M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 11 Atmosphärische Oszillationen@ SuperKamiokande M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 12 L/E-Verhalten der Oszillation X X X X X X X X x X M. Lindner X L/E-Verhalten verschmiert! DPG Frühjahrstagung 2004 13 L/E-2 Schlechte L/E Auflösung für: • horizontale Ereignisse (dL/dcosθ θ ist groß) • Ereignisse mit kleiner Energie Cuts in der E-cosθ θ-Ebene M. Ishitsuka @NOON2004 SK-preliminary: • 3,4σ σ für Zerfall • 3,8σ σ für Dekohärenz • ∆m2=2.4 10-3eV2 long baseline exp. M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 14 Solare Neutrinos: NC, CC, ES Raten von SNO 2002 M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 15 Reaktor-Neutrinos: KamLAND 2002 M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 16 SNO 2003 De Holanda, Smirnov • Verbesserung der KamLAND und SNO CC/NC Raten • SNO Tag/Nacht-Verhältnis Konsistenz! • Mehr Statistik bei KamLAND L/E-Abhängigkeit der Oszillation M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 17 Derzeitige θ13 Grenzen • Chooz • globale Fits (SK, SNO, KamLAND) Maltoni, Schwetz, Tortola, Valle •Für ∆m2=2.4 10-3eV2 |Ue3|2 < 0.035 @ 90%CL |Ue3|2 < 0.066 @ 3σ σ Chooz Frage: Warum ist θ13 << θ12*θ θ23 ??? M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 18 LSND M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 19 Das Massenspektrum M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 20 Die Zukunft der Oszillationsphysik 1) Verbesserung der Präzision der führenden 2x2 Oszillationen 2) Nachweis generischer 3-Neutrino-Effekte θ13, CP-Phase δ, sgn(∆ (∆m (∆ 2) „long baseline“ Experimente mit Neutrino-Strahlen und Reaktoren Präzisions Neutrinophysik 0 1 Ue1 Ue 2 Ue3 U U U c23 µ1 µ2 µ 3 == 0 U 0 − s U U τ2 τ3 τ1 23 θ23 0 c13 s23 0 c23 − s13eiδ 0 s13e−iδ c12 s12 0 1 0 − s12 c12 0 0 c13 0 0 1 S13 3f-Effekte S13 δ x MajoranaCP-Phasen θ12 3 FlavourOszillaztionen + Materieeffekte sgn(∆ (∆m (∆ 2) M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 21 Long-Baseline- und Reaktor- Experimente GLOBES Huber, Lindner, Winter M. Lindner - degeneracies - correlations DPG Frühjahrstagung 2004 22 Verbesserung der solaren Parameter schlechte θ12-Sensitivität gute θ12-Sensitivität KamLAND @175 km ist nicht am idealen Platz! ∆m2=7*10-5eV2 70 km Reaktorexperiment@Idealentfernung: bessere θ12-Sensitivität M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 23 Neue Reaktorexperimente für zur Messung von θ13 2 identische Detektoren! Die Überlebenswahrscheinlichkeit (führende Terme): - der letzte Term ist sehr klein - Oszillation mit atmosphärischem ∆m2 und kleiner θ13-Amplitude - ganz wichtig: • Keine Parameterentartungen • Keine Parameterkorrelatione • Keine Materieeffekte Double-Chooz (LOI) , Diabolo Canyon , Braidwood, KASKA, ... M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 24 Neutrinostrahlen: Projekte und Pläne (teilw.) Drei Stufen: Jetzt– nächste Generation – lanfristig . Präzisions-Neutrinophysik M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 25 Sensitivititäten, Systematik, Korrelationen, Entartungen systematics correlations degeneracies sin22θ θ13 Statistische Grenze Grenze für (alle Parameter fest) (sin22θ θ13)eff Präzise Kenntnis einer speziellen Parameterkombination = Präzision dieses Experiments M. Lindner Grenze für sin22θ θ13 von *DIESEM* Experiment Synergien bei Kombination mit anderen Experimenten gewinne mehr als Statistik DPG Frühjahrstagung 2004 26 θ13-Sensitivität: Vergleich der kommenden Generation M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 27 θ13: Optionen für die darauf folgende Generation M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 28 Leptonische CP-Verletung Heute: sin22θ θ13 < 0.2 Annahme: sin22θ θ13 = 0.1 und optimale Kombination: T2K + NOν νA + Reaktor Grenzen für leptonische CP-Verletzung M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 29 Langfristig: + präzise Werte für θ23 und ∆m231 Präzisions-Neutrinophysik! M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 30 Präzision und Fermion-Massenmodelle M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 31 Was bringt Präzision: θ13 Z.B.: sin22θ θ13 < 0.01 Physikalische Fragestellung: Kleines θ13 numerischer Zufall systematisch (Symmetrie,...) M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 32 Neutrino-Massenmodelle & Renormierung Niedrige Energie: • kleine Massen • große Mischungen Renormierungsgruppenlaufen • MSSM Laufbeispiel Hohe Energien: • Massenmodelle • Flavour-Symmetrien • GUT-Modelle, ... Antusch, Kersten, Lindner, Ratz bi-maximal! atmosphärisch solar θ23= π/4 + ? ∆θ13 versus Limit/Messwert Reaktor M. Lindner klein oder 0 DPG Frühjahrstagung 2004 33 Das Zusammenspiel der Argumente Standardmodell-Erweiterungen Flavour-Symmetrien Leptogenese-Szenarien Supernovae Nukleosynthese Strukturbildung@Kosmos ... Renormierungsgruppe Massenspektrum, Mischungswinkel, LVF, CP-Phasen, 0ν ν2ββ ββ− ββ−Zerfall M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 34 Neutrinos und Supernovae • Kollaps eines typischen Sterns ~1057 Neutrinos • ~99% der Energie in ν‘s • ν‘s sind essentiell für die Explosion • 3d Simulationen explodieren (bisher) nicht • Nächste galaktische Supernova: 20...100 Jahre viele Ereignisse in Neutrino-Detektoren Details des Explosionsmechanismus Neutrinoeigenschaften: Massengrenzen O(1 eV) Charakteristische Modulation des Neutrinosignals: Vorzeichen von ∆m2 und starke Grenzen an θ13 •Aus den Zeitskalen ergibt sich (vernutlich): Konsistenz / Redundanz mit anderen ν-eigenschaften Details des Explosionsmechanismus, ... M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 35 2 Möglichkeiten: Supernova Neutronenstern kühlt weiter... or Schwarzes Loch Abruptes Ende der ν−Emission Eindrucksvolles Signal eines Schwarzen Lochs im Neutrinolicht Neutrinomassen Abrisskante ? M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 36 Gravitationswellen und Supernovae: Gravitationswellenemission Quadrupolmoment der Explosion zusätzliche Information über galaktische SN Dimmelmeier, Font, Müller globale Fits: Optisch + Neutrinos + Gravitationswellen Neutrino-Eigenschaften + SN-Explosionsdynamik SN1987A: Stärkste Einschränkungen an extra Dimensionen Hannestad, Raffelt M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 37 Baryonasymmetrie & Neutrinos Anti-Materie Materie GUT-Baryogenese mit B-L=0 Washout Elektroschwacher Phasenübergang im SM zu große Higgs-Masse ...im MSSM möglich, aber marginaler Parameterbereich M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 Leptogenese 38 Natürliche Erklärung der Baryonasymmetrie durch Leptogenese • Der Zerfall rechts-händiger Majorana-ν ν‘s produziert ∆L L-Verletzung • Sphaleronen konvertieren ∆L teilweise in ∆B B-Asymmetrie B in der richtigen Größenordnung Obergrenze mν<O(0.1eV) Buchmüller, Plümacher Bemerkungen: Es gehen die CP-Phasen der schweren Neutrinos ein! Leptogenese-Varianten, z.B. mit Dirac-Neutrinos Dick, Lindner, Ratz, Wright Varianten ohne Neutrinos (z.B. Affleck, Dine) M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 39 Nicht behandelte Themen • LFV (lepton flavour violation) • Grenzen für Neutrino-Zerfall • Neutrinos und UHE kosmische Strahlung • Grenzen für nicht-standard Wechselwirkungen • >3 Neutrino-Szenarien (sterile ν‘s +kleine Mischungen) • Nukleosynthese • NuTEV-Anomalie • ν−Wirkungsquerschnitte • Geo-Neutrinos • Neutrinos und extra Dimensionen • .... M. Lindner DPG Frühjahrstagung 2004 40 Neutrinoquellen und Fragestellungen Sonne Erde Atmosphäre Supernovae Urknall M. Lindner Reaktoren Beschleuniger & Labor DPG Frühjahrstagung 2004 41
