Neutrinos von der Sonne

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Neutrinos von der Neutrinos von der SonneSonne

Sarah AndreasSarah Andreas16.05.200616.05.2006

RWTH AachenRWTH Aachen

ÜbersichtSonne: Neutrinoproduktion

Experimente:Neutrinonachweis

Experimente I Neutrinos fehlen...

Solares Neutrino Problem (SNP):Erklärungsversuche

Experimente II ...gefunden

Lösung

Sonne Experimente I SNP Experimente II Lösung

DIE SONNE

Produktion von 1.8 * 1039 Neutrinos pro Sekunde

→ signifikanteste Neutrinoquelle im Sonnensystem

→ ca. 100 Milliarden pro Sekunde durch einen Daumennagel

mehrere neutrinoliefernde Reaktionen

großer Energiebereich (0 - 19 MeV)

nur Elektronneutrinos e

Die Sonne

Warum solare Neutrinos?

1. „window into the interior of the sun“

kleiner Wirkungsquerschnitt→ direkte, ungestörte Auskunft aus Sonneninneres

Gegensatz zu Photonen (~ Millionen Jahre)

2. Auskunft über Neutrinos

lange Strecke und verschiedene Dichten durchquert→ Untersuchung von Oszillationen

(Materie und Vakuum)

Solare Neutrinos

im Sonneninneren bei TC= 15.6 Millionen Kelvin(nur inneren 20% des Sonnenradius)

exotherme Fusion von Wasserstoff zu Helium

Gesamtreaktion:

4 p + 2 e- → 4He + 2 e + 26.73 MeV

zwei mögliche Abläufe:pp - Kette und CNO - Zyklus

Sonnen-Neutrino-Produktion

pro Zyklus 26.73 MeV freiwerdende Energie

im Mittel nur ca 2% für beiden e

pro erzeugtes e ca. 13 MeV Photonenenergie

Solarkonstante: S = 8.5 * 1011 MeV cm-2 sec-1

→Abschätzung e - Fluss auf Erde

6.5 * 1010 cm-2 sec-1

Abschätzung

pp-Kette

p + p D + e+ + e p + e- + p D + e

D + p 3 He +

3 He + 3 He + 2p 3 He + p + e+ + e

8 B 8 Be* + e+ + e

8 Be* 2

3 He + 4 He 7 Be +

7 Be + e- 7 Li + e 7 Be + p 8 B +

7 Li + p 2

pp: pep:

PP III

CNO - Zyklus

4 Protoneinfänge2 + - Zerfälle1 - Zerfall

12C nur Katalysator

1.6% der Energieerzeu- gung

hohe Temperaturen → weit im Sonnen-innern

(Bethe-Weizsäcker-Zyklus)

CNO - Zyklus

3 ineinandergreifende Zyklen

Nebenzweige nur 1% bevölkert

→ unbedeutend für Energie-erzeugung

→ Elementgenese

4 neutrinoliefernde + - Zerfälle(Anteile von 17F-und 18F-

sehr klein)

Temperaturabhängigkeit

CNO:ab T > 13 Mio. Kelvin möglichab T > 18 Mio. Kelvin dominant

vorherrschende Energiequelle schwerer Sterne (älterer Generation, da 12C benötigt)

Beschreibung der Vorgänge in der Sonne

Annahmen: Energieproduktion durch thermonukleare Kernfusion,Hydrostatisches und thermisches Gleichgewicht,Ideales Gas

Vorhersagen:Verzweigungsverhältnisse der Kernreaktionene – Flüsse und Flussspektren (E) auf Erde

verschiedene Versionen (seit 1930er)

Standard Sonnen Modell (SSM)

Prozess Kurz- notation E [MeV] e – Fluss nach SSM

[1010 cm-2 sec-1]p p → D e+ e

p e- p → D e

3He p → 4He e+ e

7Be e- → 7Li e

8B → 8Be e+ e

13N → 13C e+ e

15O → 15N e+ e

17F → 17O e+ e

13N15O17F

Gesamt:

Solare Neutrinoproduktion

Neutrino - Energiespektrum

EXPERIMENTE I

DetektorenMasse:1 Solar Neutrino Unit [SNU]= 10-36 Einfänge pro Targetatom und Sekunde

1- Wechselwirkung / Tag alle 1030 Targetatome

→ Ntarget = 1030 Kerned.h. O(10-100)t Target für O(1) - WW/Tag

Untergrund:kosmische Strahlung→ tief unter Erde1000 m

Experimenttypen

Radiochemische Experimente (Typ A)

Chlor Experimente (Homestake)Gallium Experimente (GALLEX, SAGE)

Realzeit Experimente (Typ B)

Wasser-Detektoren (Kamiokande, Super-K)Schwer-Wasser-Detektor (SNO)

Radiochemische Experimente (A)

Inverser – Zerfall:

e + B (Z) → C (Z+1) + e –

Radioaktiver Zerfall des Tochterisotops C :

C (Z+1) + e – → B (Z) + e

(Elektroneneinfang, meist aus K-Schale)

→ Extraktion und Zerfallsrate von C zählen (z.B. Proporitonalzähler)

Realzeit – Experimente (B)

Target: reines WasserElastische Neutrino - Elektron - Streuung:

(ES) x + e – → x + e –

→ Čerenkov - Licht des Elektrons

Target: schweres Wasserzusätzlich Neutrino - Deuteron - Reaktionen:

(CC) e + D → e – + 2 p

(NC) x + D → x + p + n

Energiebereiche Wasser

(A)(B)

Radiochemisch (A)

geringe Energie-schwelle

lange ExpositionszeitenInformationsdefizite

-Energie und -Richtung)

Nur Elektronneutrinos

Realzeit (B)

Echtzeitevtl -Energie ungefähre -Richtungverschiedene Flavour

hohe Energieschwelle(5 MeV)

Neutrinoart schwer bestimmbar

Vorteile

Nachteile

Vergleich

Erste Anläufe

1946: Pontecorvo‘s Vorschlag zur Cl-Ar-Methodee - Einfang : e + 37Cl → 37Ar + e –

1951: Begin des ersten radiochemischen Experiment (Davis)3800l Tank, Brookhaven Reaktor

1955: Aufbau bei einem Fusionsreaktor (Davis)11400l Tank, Savannah Reaktor

1958: optimistischere Vorhersage solarer Fluss 3800l Tank, Barberton Limestone Mine

keine Neutrinos nachgewiesen

keine solaren Neutrinos nachgewiesen

Homestake (A)

Davis: „...neutrinos captured me early in my career.“

1963: neue Berechnungen von J. Bahcall 8B-- Rate höher als zuvor erwartet

1965: Homestake Goldmine, South Dakota (USA)

1478 m Untergrund (kosm. Myonen)

615 t Tetrachlorethylen (C2 Cl4 )

e - Einfang : e + 37Cl → 37Ar + e –

Es = 814 keV

→ keine pp-

Argon-Extraktion

alle 2-3 Monate

Tankinhalt durch sog. Eduktoren zirkuliert

Helium durch Targetflüssigkeit gespült

→ Atmosphäre in oberen 5% des Tankes

Argon-Extraktion

Zirkulation durch Kontrollraum

Abkühlen in Holzkohlefallen mit flüssigem Stickstoff (-196 °C)Argon Gefrierpunkt -189 °C

→ Trennung des Argon vom Helium durchvollständige Adsorption an Holzkohle

Entfernung von Holz-kohle durch Aufwärmen

Argon-Extraktion

Extraktionseffizienz (~95%):

kleine bekannte Menge inaktives Trägergas (36Ar oder 38Ar)zu Targetflüssigkeit

Vergleich Menge wiedergewonnenes Träger-Argon mitursprünglicher Beigabe

→ Prozentsatz des extrahierten 37Ar

Ergebnisse

37Ar - Zerfälle in Proportionalzählrohr zählen

→ Bestimmung der Anzahl der durch e - Einfang erzeugten 37Ar-Kerne

1967: erster Durchlauf

→Neutrinofluss kleiner als vorhergesagt (SSM)

Ergebnisse

1970: neues System um Untergrund zu reduzieren

Wechselwirkung -Strahlen mit Atomen in Proportionalzählrohr

→ Compton-Elektronen entlang Zählrohrlangsam ansteigendes Signal

Signal aus 37Ar-Zerfall

→ Auger-Elektronenschnell ansteigendes Signal

„pulse rise-time system“

Proportionalzählrohr in Mine Raum mit Wasser gefüllt

Ergebnisse

trotz Untergrund-Reduktion:

Neutrinofluss:2.56 ± 0.16 (stat.) ± 0.16 (sys.) SNU(Datenmittelwert von 1970 bis 1994)

SSM-Erwartung:

7.6 ± 1.8 SNU

34% des erwarteten Neutrino-Flusses

Neutrinodefizit !

Davis: „The most likely explanation,

in my view at the time, was that the solar model was in error.Many physicists believed that there was somethingwrong with our experiment.“

Erklärungsversuche für Diskrepanz

1. Experimentelle Seite:ExtraktionseffizienzWirkungsquerschnittDetektor

2. Sonnen Modell:Temperatur im SonneninnernInputparameter

3. Neue Physik:Neutrino Eigenschaften

? Sonne Experimente I SNP Experimente II Lösung

weitere Experimente !

GALLEX & SAGE (A)

1990er

e-Einfang: e + 71Ga → 71Ge + e-

Es = 233 keV

→ pp- dominierender Anteil des solaren Neutrino-Flusses,mit guter Sicherheit bekannt

höhere Einfangrate → kürzere Expositionszeiten (~20-30 Tage)

Nachteil: Gallium ist teuer!

GALLEX & SAGE (A)

GALLium European EXperiment (Italien)

30t Gallium in flüssiger Galliumchlorid (GaCl3)-Lösung

Soviet-American Gallium Experiment (Russland)

50t flüssiges metallisches Gallium

Defizit bestätigt und scheinbar energieabhängig !

Kamiokande & Super-K (B)

Wasser-Čerenkov-DetektorenTarget: reines Wasser

Elastische Neutrino - Elektron - Streuung:

(ES) x + e – → x + e –

kleiner Wirkungsquerschnittvorallem e - Nachweis (Wirkungsquerschnitt 6mal größer)

Energieschwelle 5 MeV → 8B- und hep-

große Unsicherheit (nuklearer Wirkungsquerschnitt,stark temperaturabhängig)

Prinzip

Rückstoß-Elektron

schneller als c in Wasser→ Čerenkov - Licht

(Photomultiplier)

Lichtintensität - Energie

Form des Lichtmusters -Richtung

(e- - Richtung - Richtung)

Kamiokande

1987 - 1995

Kamioka Mine, Japan

Wasser-Čerenkov-Detektor

3 000 t reines Wasser

~ 1 000 Photomultiplier

Höhe 16m, Durchmesser 15.6m

Super-Kamiokande

40 m seit 1996 50 000 t reines Wasser 13 000 PMTs

verglichen mit Kamiokande: 10mal mehr Volumen

doppelte Dichte an PM

mehr beobachtete Neutrinos(ca. 14 Ereignisse pro Tag)

Ergebnisse

tatsächlich von der Sonne

Winkeldifferenz zwischen Sonne und - Richtung

Peak bei cos 10°

- Defizit bestätigt

beide nur ca. Hälftedes erwarteten Flusses

SOLAR NEUTRINO PROBLEM

Stand nach Super-K

alle messen weniger e als von SSM erwartet

Davis lag doch nicht falsch !

Erklärungsversuche

theoretische Überlegungen

verschiedene Versionen von Sonnen Modellen

Neutrino - Zerfall (Bahcall, 1972)

schnelle Rotation des Sonneninneren verringert zentral Druck und Temperatur (Demarque, 1973)

Sonnenenergie nicht aus nuklearer Fusion, sondern Abstrahlung bei Anwachsen eines schwarzen Loches im Sonnenzentrum

Neutrino Oszillationen (Wolfenstein, 1978)

astrophysikalische Effekte

Gegenargumente:

1. Konflikt Homestake - Kamiokande

Homestake: 8B- und 7Be- Kamiokande: nur 8B-

Temperaturabhängigkeit: 8B T

Tc - Erniedrigung: 8B stärker reduziert als bei 7Be

ABER: Defizit bei Homestake größer als bei Kamiokande

astrophysikalische Effekte

Gegenargumente:

2. Defizit an 7Be-

Übereinstimmung SSM und Kamiokande: nur 50% der 8B - Neutrino - Vorhersage

neue Vorhersagen für Homestake und GALLEX:8B - Beitrag größer als gemessener Gesamtwert

kein Platz mehr für 7Be-

ABER: 8B-aus 7Be - Reaktion

Neutrino-Eigenschaften

1. Neutrinozerfall

ausgeschlossen wegen relativistischer Zeitdilatation

großer Anteil zerfallender Neutrinos bei kleiner - Energie

→ SSM-Abweichung bei GALLEX größer als bei Homestake

ABER: gemessenes Defizit:GALLEX: 60%Homestake: 33%

Neutrino-Eigenschaften

2. Neutrino-Oszillationen

plausibelste Erklärung

energieabhängige Oszillationswahrscheinlichkeit

zwei Möglichkeiten:

Oszillationen im Vakuum

Oszillationen in Materie

neue Experimente zur genaueren Untersuchung

EXPERIMENTE II(SNO)

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

Schwer-Wasser-Čerenkov-DetektorOntario, USA

1000 t D2O

Unterstützungsstruktur9500 PMTs

(60% Abdeckung)

Kessel, Ø 12m

innere Wasserabschirmung1700 t

äußere Wasserabschirmung5300 t

Abschirmung

Reaktionen

3 Nachweisreaktionen

Neutrino-Deuteron-

Reaktionen

Neutrino-Elektron-

Reaktionen

starke Richtungs-sensitivität

nur Elektronneutrinos

flavourunabhängigerWirkungsquerschnitt

in Einheiten von 106 cm-2 s-1

eSNOCC

eSNOES

62.009.5

10.076.1

26.039.2

Analyse

01.181.005.5

SSMtot

Oszillationen

SSM Vorhersage korrekt

Ergebnisse

Falls nur e , d.h. keine Oszillationen: CC NC ES

LÖSUNG DESSNP

Stand nach SNO

→ erwartete Anzahl von solaren Neutrinosaber einige sind bzw.

nicht nur Davis, auch Bahcall hatten Recht !

Flavoureigenzustände e

keine scharfe Masse,

→ Mischzustände der Masseneigenzustände

Masseneigenzustände i i1,2,3

Neutrino-Oszillationen

Phase everletzend-CP 1 inkel,Mischungsw 3 :Parameter

, :tionTransforma unitäre iiU

cossinsincos

:tionTransforma

Zwei-Flavour-Formalismus

Frequenz

erenzMassendiff

Amplitude

inkelMischungsw

ELmP 2

2mit sin2sin)(

:ichkeitahrscheinlÜbergangsw

Vakuum:

mögliche Erklärung für Neutrinodefizite

Oszillationslänge in Größenordnung Abstand Sonne - Erde → unwahrscheinlicher Zufall

Materie:

zusätzliche WW durch elastische Streuung

Neutrino-Elektron-Streuung wegen CC für e bzw. () verschieden

→ Veränderung der Oszillationswahrscheinlichkeit

Oszillationen

Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein-Effekt (1985):

Resonante Verstärkung der Neutrino - Oszillationenin Materiegebieten variabler Elektronendichte

→ Wahrscheinlichkeit für Flavourübergang erhöht

MSW - Effekt

2sin2cos

2sin2sin :ensamplitudOszillatio2

MSW plausibelste Erklärung für SNP

bester Fit (LMA) :

tan m eV2

erlaubte Regionen für e →

LMA LMA

LOWLOW

Davis:

„The collision between solar neutrino experiments and the standard solar model had ended in a spectacular way:

nothing was wrong with the experiments or the theory;

something was wrong with the neutrinos, in the sense that they behave in ways beyond the standard model.“

Davis Bahcall

pp-Kette (Zusammenfassung)

pp-dominierender Beitrag (91%)

gut bekannt ( 1%),schwach temperaturabhängig (~ T-1.2)

niedrige Energien (E 0.42 MeV)

hochenergetische Neutrinos8B-E 15 MeV, selten, ~ T18)

hep-E 18.8 MeV, sehr selten)

oberhalb 5 MeV:nur 8B-und hep-signifikante Beiträge

pp-Kette (Zusammenfassung)

98.4% der Energieerzeugung

Neutrinoreaktionen:

3 kontinuierliche Energiespektrenpp - Reaktion8B - Zerfallhep - Reaktion

3 diskrete Linienpep-Reaktionzwei aus 7Be - Elektroneneinfang

Geburt des SNP

Davis rückblickend zu Homestake - Experiment:

„The numbers haven‘t changed much: the Sun produces one-third as many neutrinos as expected. Thus, the „solar neutrino

problem“ was born in 1967 and lived until the turn of the century.“

Annahmen:Energieproduktion durch thermonukleare Kernfusion,Hydrostatisches und thermisches Gleichgewicht,Ideales Gas

Vorhersagen:Verzweigungsverhältnisse der einzelnen Kernreaktionene – Flüsse und Flussspektren (E) auf Erde

(Flussangaben in SNU)

ll SNU = Einfänge pro Targetatom und Sekunde

Vorraussetzungen:

Mischungswinkel 0

→ Oszillationsamplitude

Massendifferenzen m 0 insbesondere nicht alle m 0

→ Oszillationsfrequenz

Leptonenflavourzahl nicht streng erhalten

Oszillationen

Vorraussetzungen:

Mischungswinkel

Massendifferenzen m insbesondere nicht alle m

Leptonenflavourzahl nicht streng erhalten

in Materie:

zusätzliche WW durch elastische Streuung

Neutrino-Elektron-Streuung wegen CC für e bzw. () verschieden

Oszillationen

Annahmen:Energieproduktion durch thermonukleare Kernfusion,Hydrostatisches und thermisches Gleichgewicht,Ideales Gas

Vorhersagen:Verzweigungsverhältnisse der einzelnen Kernreaktionene – Flüsse und Flussspektren (E)

DetektorenMasse:

1 Solar Neutrino Unit [SNU] 1- Wechselwirkung / Tag alle 1030 Targetatome

→ Ntarget = 1029 - 1030 Kerned.h. O(10-100)t Target für O(1) - WW/Tag

Untergrund:kosmische Strahlung

→ tief unter Erde1000 m

Vorhersagen des Neutrinoflusses

[cm-2s-1][cm-2s-1][cm-2s-1][cm-2s-1][cm-2s-1][cm-2s-1][cm-2s-1][cm-2s-1]

[SNU][SNU]

vorallem von John Bahcall

abhängig von Eingangsparametern

Unsicherheiten je nach Temperaturabhängigkeit

SNU = Einfänge pro Targetatom und Sekunde

Neutrinos von der Sonne

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