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Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Neutrinophysik:Aktueller Stand und neue
Experimente
Neutrinophysik:Aktueller Stand und neue
Experimente
Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik
Universität Hamburg
Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik
Universität Hamburg
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Neutrinophysik in unserer Gruppe I:
Neutrinophysik in unserer Gruppe I:
• Beteiligung am NeutrinooszillationsexperimentOPERA im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)
Detektortechnologie: Opera: Hochauflösende Emulsionen Hamburger Beitrag zu Opera: Muonspektrometer aus Driftröhren
• Beteiligung am NeutrinooszillationsexperimentOPERA im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)
Detektortechnologie: Opera: Hochauflösende Emulsionen Hamburger Beitrag zu Opera: Muonspektrometer aus Driftröhren
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Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Neutrinophysik in unserer Gruppe II:
Neutrinophysik in unserer Gruppe II:
• Tests und Vorstudien, eventuell Beteiligung am Reaktorneutrino-Oszillationsexperiment Double-CHOOZ
Detektortechnologie: Flüssigszintillator und Photomultiplier
• Tests und Vorstudien, eventuell Beteiligung am Reaktorneutrino-Oszillationsexperiment Double-CHOOZ
Detektortechnologie: Flüssigszintillator und Photomultiplier
θ13?θ13?
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Stand der Neutrinophysik:Stand der Neutrinophysik:
Neutrinooszillationen wurden in zwei Bereichen
nachgewiesen:
• Solare Neutrinos und Reaktorneutrinosve → vμ mit Δm2 ≈ 8·10-5 eV2
• Atmosphärische Neutrinos und Beschleunigerneutrinosvμ → vτ mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2
Neutrinooszillationen wurden in zwei Bereichen
nachgewiesen:
• Solare Neutrinos und Reaktorneutrinosve → vμ mit Δm2 ≈ 8·10-5 eV2
• Atmosphärische Neutrinos und Beschleunigerneutrinosvμ → vτ mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2
Neutrinos besitzen Masse!Mleichtestes v < 2eV
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Neutrinomassen und Neutrinomischung
Neutrinomassen und Neutrinomischung
Neutrinomischung! PMNS NeutrinomischungsmatrixNeutrinomischung! PMNS Neutrinomischungsmatrix
3
2
1
321
321
321
UUU
UUU
UUU eeee
3 massive Neutrinos: ν1, ν2, ν3 mit Massen: m1,m2,m3
Flavor-Eigenzustände ≠ Massen-EigenzuständeFlavor-Eigenzustände ≠ Massen-Eigenzustände
→ vgl. im Quarksektor: CKM-Matrix → vgl. im Quarksektor: CKM-Matrix
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors)Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors)
2
1
cossin
sincos
e
21
22
221 mmm
E
Lm
P ee
2sin)2(sin1
)(22122
Überlebenswahrscheinlichkeit:
0 1 2 3 L in Losz
mit Neutrinooszillationen misst man: Massendifferenzen und Mischungswinkelmit Neutrinooszillationen misst man: Massendifferenzen und Mischungswinkel
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Neutrino Mischung: Parametrisierung
Neutrino Mischung: Parametrisierung
3
2
1
321
321
321
UUU
UUU
UUU eeee
3
2
1
1212
1212
1313
1313
2323
2323
100
0
0
0
010
0
0
0
001
cs
sc
ces
esc
cs
sci
ie
Solare und Reaktor-Exp.
θ12: 29o - 39o
Θ23: 34o - 58o
Atmosphärisch und Beschleuniger
θ13, δ ??
unbekannt !
Falls Majorana-Neutrino:
2 zusätzliche CP-Phasen
Falls Majorana-Neutrino:
2 zusätzliche CP-Phasen
Unterschied zu Quarks:Zwei Winkel sind fast maximal!Bedeutung?
Unterschied zu Quarks:Zwei Winkel sind fast maximal!Bedeutung?
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Das OPERA ExperimentDas OPERA Experiment
Ziel: Direkter Nachweis der Tau-Neutrinos in vμ → vτ Oszillationen mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2
– Bei atmosphärischen Neutrinooszillationen und bei Oszillationen von Beschleunigerneutrinos wurde bisher nur das Verschwinden von Muon-Neutrinos beobachtet
– Muon-Neutrinos: CERN Neutrinostrahl– Tau-Neutrinos: Nachweis mit OPERA Detektor
im Gran Sasso Labor
Ziel: Direkter Nachweis der Tau-Neutrinos in vμ → vτ Oszillationen mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2
– Bei atmosphärischen Neutrinooszillationen und bei Oszillationen von Beschleunigerneutrinos wurde bisher nur das Verschwinden von Muon-Neutrinos beobachtet
– Muon-Neutrinos: CERN Neutrinostrahl– Tau-Neutrinos: Nachweis mit OPERA Detektor
im Gran Sasso LaborStart: 2006
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Der Neutrinostrahl am CERNDer Neutrinostrahl am CERN
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Der Neutrinostrahl am CERNDer Neutrinostrahl am CERN
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Der CNGS NeutrinostrahlDer CNGS Neutrinostrahl
Cern zum Gran Sasso: 732km, <Ev> = 17GeVCern zum Gran Sasso: 732km, <Ev> = 17GeV
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)
150 km von Rom
Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)
150 km von Rom
Neutrinos vom CERN
Rom
Autostrada
Teramo
Halle C: Borexino und Opera
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Nachweis der Tau-NeutrinosNachweis der Tau-Neutrinos
τ
Herausforderung: Nur ca. 10 vτ Ereignisse in 5 Jahren!
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Wechselwirkung von Myon-NeutrinosWechselwirkung von Myon-Neutrinos
Myon-NeutrinoMyon-Neutrino
MyonMyon
HadronenHadronen
KernKern
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Wie unterscheidet man Tau-Neutrinos?Wie unterscheidet man Tau-Neutrinos?
Tau-NeutrinoTau-NeutrinoTauonTauon
HadronenHadronen
KernKern
Tauon zerfälltτ = 300ps
Tauon zerfälltτ = 300ps
Nur ca. 0.6mm
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
OPERA: Emulsions-TechnikOPERA: Emulsions-Technik
Emulsion simulationEmulsion simulation
Emulsion simulationEmulsion simulation
Emulsion simulationEmulsion simulation
Emulsion simulationEmulsion simulation
Emulsion simulationEmulsion simulation
Emulsion simulationEmulsion simulation
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
OPERA: EmulsionOPERA: Emulsion
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Beitrag der Uni Hamburg:Muon Spektrometer
Beitrag der Uni Hamburg:Muon Spektrometer
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Uni Hamburg: Muon SpektrometerUni Hamburg: Muon Spektrometer
1 Modul aus8m langen Driftröhren
Teststand für Prototyp
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Möglichkeiten für Diplomarbeiten:Möglichkeiten für Diplomarbeiten:
• Charakterisierung der Driftröhreneigenschaften,insbesondere Ortsauflösung
• Spurrekonstruktion am Opera-Muonspektrometer(Teststände und Opera-Detektor)
• Entwicklung eines Monitorsystems für das Opera-Muonspektrometer
• Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Produktion der Driftröhren
• Dazu auch Möglichkeiten:MC Simulation der Neutrino WW im Opera-DetektorUntersuchung des Charm Untergrundes
• Charakterisierung der Driftröhreneigenschaften,insbesondere Ortsauflösung
• Spurrekonstruktion am Opera-Muonspektrometer(Teststände und Opera-Detektor)
• Entwicklung eines Monitorsystems für das Opera-Muonspektrometer
• Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Produktion der Driftröhren
• Dazu auch Möglichkeiten:MC Simulation der Neutrino WW im Opera-DetektorUntersuchung des Charm Untergrundes
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Das Double-CHOOZ ExperimentDas Double-CHOOZ Experiment
Ziel: Messung des bisher noch unbekannten Neutrinomischungswinkels θ13
– Bisher nur bekannt:sin22θ13 < 0.2 (90%CL) vom CHOOZ Experiment
– Methode:Suche nach dem Verschwinden von Reaktorantineutrinosin ca. 1km Entfernung vom Reaktor.Messung des Neutrinoflusses mit identischem Detektor bei ca. 100-200m Entfernung vom Reaktor
Ziel: Messung des bisher noch unbekannten Neutrinomischungswinkels θ13
– Bisher nur bekannt:sin22θ13 < 0.2 (90%CL) vom CHOOZ Experiment
– Methode:Suche nach dem Verschwinden von Reaktorantineutrinosin ca. 1km Entfernung vom Reaktor.Messung des Neutrinoflusses mit identischem Detektor bei ca. 100-200m Entfernung vom Reaktor
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Wie kann man θ13 messen?Wie kann man θ13 messen?
Reactor experimentsReactor experiments
clean measurement of θ13clean measurement of θ13
with
D1 = 100 m D1 = 100 mD2 = 1 km D2 = 1 km
e e,,
Damit ist Verbesserung auf:sin22θ13 ≤ 0.032 (90%CL) möglichDamit ist Verbesserung auf:sin22θ13 ≤ 0.032 (90%CL) möglich
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Near site: D~100-200 m, overburden 50-80 mweFar site: D~1.1 km, overburden 300 mwe
Type PWR
Cores 2
Power 8.4 GWth
Couplage 1996/1997
(%, in to 2000) 66, 57
Constructeur Framatome
Opérateur EDF
Chooz-Far
Chooz-Near
Double CHOOZDouble CHOOZ
Th. Lasserre
100-200 m
1050 m
12.7 m3
12.7 m3
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
nepe
Nachweis der Reaktor-Antineutrinos
Nachweis der Reaktor-Antineutrinos
Ev > 1.8 MeVEv > 1.8 MeV
promptes Ereignis: Ev – 0.77 MeV
200μsec200μsec
verzögertes Ereignis:n-Einfang an Gddabei 8MeV γ-Emission
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Detektor bei 1.05 kmDetektor bei 1.05 km
Non-scintillating buffer: scintillateur+quencher DMP (r+0.95m, , V=100 m3)
-catcher: 80% dodécane + 20% PXE (r+0,6m – V= 28,1 m3)
7 m
7 m
- target: 80% dodécane + 20% PXE + 0.1% Gd (r=1,2m, h = 2,8m, 12,7 m3)
Th. Lasserre
Halle existiert schonHalle existiert schon
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Double-CHOOZ Programm:Double-CHOOZ Programm:
• Im Moment Proto-KollaborationFinanzierung in Frankreich, Deutschland, Italien, USA?
• Falls erfolgreich,Start ca. 2007-2008
• Interesse von mehreren deutschen Universitätenund Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
• Interessante Möglichleit der Reaktorüberwachung(IAEA)
• Im Moment Proto-KollaborationFinanzierung in Frankreich, Deutschland, Italien, USA?
• Falls erfolgreich,Start ca. 2007-2008
• Interesse von mehreren deutschen Universitätenund Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg
• Interessante Möglichleit der Reaktorüberwachung(IAEA)
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
Möglichleiten für Diplomarbeit:Möglichleiten für Diplomarbeit:
• Aufbau eines Teststandes für den Gd-geladenenSzintillator und Photomultiplier
• Studien zum Untergrund beim Double-CHOOZ Experimentes
• Entwicklung eines Kalibrationssystems für den DCHOOZDetektor
• Studien zur Bestimmung von θ13 und CP-Verletzungin Neutrinooszillationsexperimenten
• Aufbau eines Teststandes für den Gd-geladenenSzintillator und Photomultiplier
• Studien zum Untergrund beim Double-CHOOZ Experimentes
• Entwicklung eines Kalibrationssystems für den DCHOOZDetektor
• Studien zur Bestimmung von θ13 und CP-Verletzungin Neutrinooszillationsexperimenten
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
AusblickAusblickOffene Fragen in der Neutrinophysik:
• Wie groß ist die Masse des leichtesten Neutrinos?(Trtium-β-Zerfall, Kosmologie, 0vββ-Zerfall)welche Hierarchie?
• Majorana oder Dirac Neutrino?
• Wie groß ist θ13?
• Gibt es CP-Verletzung im Leptonsektor?
…
Offene Fragen in der Neutrinophysik:
• Wie groß ist die Masse des leichtesten Neutrinos?(Trtium-β-Zerfall, Kosmologie, 0vββ-Zerfall)welche Hierarchie?
• Majorana oder Dirac Neutrino?
• Wie groß ist θ13?
• Gibt es CP-Verletzung im Leptonsektor?
… Hilfe willkomen!
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
ENDEENDE
Neutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für ExperimentalphysikNeutrinophysik Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik
M. Apollonio et. al., Eur.Phys.J. C27 (2003) 331-374
Beste Grenze für Θ13 vom CHOOZ-ExperimentBeste Grenze für Θ13 vom CHOOZ-Experiment
for m2atm = 2×10-3 eV2
sin22θ13 < 0.2
(90% C.L)
for m2atm = 2×10-3 eV2
sin22θ13 < 0.2
(90% C.L)
Pth= 8.5 GWth, L = 1,1 km, M = 5tIm Untergrund: 300 mwe
Pth= 8.5 GWth, L = 1,1 km, M = 5tIm Untergrund: 300 mwe
Target: 5t Gd geladener (0.09%) SzintillatorTarget: 5t Gd geladener (0.09%) Szintillator