Seite 46Kap.10

10.6. Neutrinos

Seite 47Kap.10

Eigenschaften der Neutrinos

● Existenz von v von Pauli vorhergesagt (ß-Zerfall)● Nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige Anti-

Neutrinos● Genau 3 Leptonfamilien mit erhaltenem Le

– 1956: ve-Nachweis (Reines&Cowan), NP 1995

– 1962: vμ -Nachweis am BNL durch Lederman, Schwartz, Steinberger, NP 1988

– 2001: vτ -Nachweis am Fermilab (DONUT-Kollaboration)

Seite 48Kap.10

Fragen zu Neutrino-Eigenschaften

● Haben Neutrinos eine endliche Masse? ● Warum ist mv<<ml?

● Sind Le, Lμ, Lτ Erhaltungsgrößen?

● Ist Neutrino sein eigenes Antiteilchen?● Sind Neutrinos stabil?● Koppeln Neutrinos an Photonen (Ladung? Magn.

Moment?)● Was ist die kosmologische Relevanz von Neutrinos?

Seite 49Kap.10

Experimente zur Klärung der Neutrino-Eigenschaften

● Teilchenzerfälle: ß-Zerfall, doppelter ß-Zerfall

● Neutrinooszillation

● Supernova-Explosionen (Kern-Kollaps)

● Universum (Kosmologie)

Neutrinoquellen

● Beschleuniger (via Zerfälle von z.B. π±,K±,μ± )

● Reaktoren

● Radioaktive Quellen

● Sonne

● Kollabierende Sterne (Supernovae)

● Kosmische Strahlung/Luftschauer

Seite 50Kap.10

Supernova SN1987a

● Erste „moderne“ Supernova in unserer Nachbarschaft (Grosse Magellansche Wolke d=50 kpc~150.000 Lichtjahre)

● Vorgängerstern: Blauer Überriese M=17 Msonne

● Supernova-Typ II (Kern-Kollaps): Lmax~1011 Lsonne

Fehlender Strahlungsdruck:Gravitationskollaps bis Neutronenstern (oder schwarzes Loch)

Seite 51Kap.10

Überblick: Stellare Evolution

Woosley & Janka 2005

Seite 52Kap.10

Kern-Kollaps-Supernova

● Nickel-Eisen-Kern -> Stabil durch degeneriertes Elektron-Gas („weiβer Zwerg“), Masse steigt weiter

● Ist M>1,4 Msonne (Chandrasekhar-Limit): Weiterer Kollaps R~1000km –> 10 km innerhalb <1s (v~0,25c)

● e-Einfang (inv. ß-Zerfall) von ~1057 Protonen● Stabiler Zustand: Degeneriertes Neutronengas,

Radius 10-20 km (Dichte 1017-1018 kg/m3, zum Vergleich Kernmaterie: 3x1017 kg/m3)

Seite 53Kap.10

Neutrinos ● 1057 ve aus Elektroneinfang-Reaktionen:

● 1058 v aus „thermischen“ Reaktionen (E=kBT~1 MeV), dünne (~10 m) Neutrinospäre)

● Insgesamt Gravitationsenergie: E=3/5 GM2/R~1046 J

● Kinetische (Explosions-)Energie: Ekin=1044 J

● Photonen (+O(Stunden)): Ep=1043 erg

● <<1% in Gravitationswellen (instantan)● Ca. 99% der Energie geht in Neutrinos (innerhalb von ~10 s)

Seite 54Kap.10

● Nachweisprinzip -> Cherenkov-Licht des Positrons in Wasser (Nachweisschwelle ~ 10 MeV)

Nachweis der Neutrinos

Ursprünglich Experimente zur Suche nach p-Zerfall

Seite 55Kap.10

Cherenkov-Effekt

“isotrope” Polarisation des

Mediums

“Dipol”-Polarisation des Mediums

cosθc=1/(βn)

Seite 56Kap.10

Neutrinosignal von SN1987A8 Neutrinos in IMB11 Neutrinos in K-II5 Neutrinos in Baksan(Uhren waren leider nicht synchronisiert)

Zahl der Ereignisseund Ankunftszeitverteilung konsistent mit Erwartung

Erster und bislang einziger Nachweis von extragalaktischen Neutrinos

(Nobelpreis 2002 für Masatoshi Koshiba)

Seite 57Kap.10

Konsequenzen: Masse und Lebensdauer von ν

e (Tafel)

Seite 58Kap.10

Neutrinooszillationen (Tafel)

Seite 59Kap.10

Verallgemeinerung für 3 Neutrinos

● 3 Massen: 2 Massendifferenzen (δm12,δm23)

● Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS)-Matrix– 3 Mischwinkel (θ12,θ23,θ13)

– 1 Phase (δ->CP-Verletzung)

Seite 60Kap.10

Experimente zur Neutrinooszillation

● In handlicheren Einheiten:

„Appearance“ (vα->v

α) oder

„Disappearance“-Experimente (v

α->v

β)

Seite 61Kap.10

„Appearance“-Experiment

● z.B. OPERA (Hamburger Beteiligung):

Seite 62Kap.10

Seite 63Kap.10

Energiespektrum der Neutrinos

Seite 64Kap.10

37Cl-Experiment (R. Davis, NP 2002)

● Homestake-Goldmine (1500 uNN): Abschirmung kosmischer Strahlung

● Einfangreaktion νe+37Cl ->37Ar+e- , Energieschwelle: 817 keV (empfindlich auf 7Be, 8B Neutrinos)

● 37Ar zerfällt mit T1/2=35d durch Elektroneinfang (37Ar+e-->37Cl+ve unter Abstrahlung eines Photons mit 2,8 keV)

● Detektor: 615t Perchlorethylen (133 t 37Cl) mit 36Ar,38Ar zur Kalibration

● Messlauf 60 Tage, dann ausspülen, Nachweis der Photonen in Proportionalzähler

● 1 37Ar-Atom pro 2 Tage

Seite 65Kap.10

Ergebnis: Rexp

=(0,33±0,05) SSM2/3 der Neutrinos „fehlen“!

Seite 66Kap.10

Weitere Experimente

● Konsistente Resultate mit Gallium und Wasser-Cherenkov-Detektoren

● Erklärung: Neutrinooszillation

Seite 67Kap.10

SNO-Experiment (Sudbury Neutrino Observatory in Kanada)

2070 m Tiefe1000 t D

2O

9500 Photomultiplier

Seite 68Kap.10

Resultat SNO

● 8B-Neutrinos:– 1/3 solare ve kommen als

ve auf der Erde an

– 2/3 als vμ,vτ

– Gesamtfluss=Solares Standard-Modell

● v-Oszillationen etabliert

● SSM verifiziert

Seite 69Kap.10

Atmosphärische Neutrinos

● Kosmische Strahlung (geladene Kerne) erzeugen Teilchenkaskaden in der Atmosphäre

Seite 70Kap.10

Oszillation atmosphärischer Neutrinos

Super-Kamiokande

12.000 Photomultiplier50 kTonnen H

2O

Kamioka-Bergwerk, Japan

vμ und

v

e

Ereignisse:

Seite 71Kap.10

Ergebnis: Atmosphärische Neutrino-Oszillation

Seite 72Kap.10

Zusammenfassung Neutrinooszillation

● Solar (+Reaktor): ve->vμ,τ mit δm2~2x10-3 (eV/c2)2 und θ~33°

● atmosphärisch (+Beschleuniger): vμ->vτ mit δm2~2x10-3 (eV/c2)2 und θ~45°

● Vergleich der Massenmatrix und CKM-Matrix

Seite 73Kap.10

Offene Fragen

● Absolute Massenskala (siehe zB. KATRIN-Experiment, kosmologische Grenzen ->nächster Abschnitt)

● Präzise Werte der Massenmatrix● gibt es eine Phase (CP-Verletzung im Neutrino-

Sektor?)