Solare Neutrinos

Axel WinterRWTH-Aachen

betreut von Prof. Flügge

Übersicht

• Solare Neutrinos: Erzeugung und Problematik

• Darstellung der experimentellen Detektionsmöglichkeiten

• Neutrinooszillation• Zusammenfassung und Ausblick

Neutrinos: Übersicht der Eigenschaften

Spin: ½Masse: 0 (??)Geschwindigkeit: c (??)Verschiedene Flavors(ve,vµ,vτ)Extrem geringe Wechselwirkungsrate mit Materie: σ=10−42 cm2

Das solare Neutrino Problem

Problem:Es kommen weniger Neutrinos an als erwartet.

Energieerzeugung in der Sonne:Der Proton-Proton-Zyklus und CNO-Zyklus

In der Sonne wird Energie durch Kernfusion erzeugt:

4p ⇒ 4He + 2e+ + 2νe + 26,73 MeV98,4 %

1,6 %

CNO-Zyklus

Deuteriumproduktion

Auf diesem Wege fusionieren99,75 % des Wasserstoffs zu Deuterium.Eν≤0,42 MeV

p(e)p-NeutrinosAuf diesem Wege fusionieren0,25 % des Wasserstoffs zu Deuterium.Eν=1,44 MeV

Heliumproduktion

Eγ=5,49 MeV

Aufteilung in 3 Wege:

1) Wahrscheinlichkeit:86%

HeliumproduktionWahrscheinlichkeit:2,4*10-5 %

Eν<18 MeVgeringer Fluß„hep-Neutrinos“

2)

Wahrscheinlichkeit:14 %3)

Heliumproduktion

0,02 % pIII Eν<14 MeV

99,98 % pII Eν=0,862 MeV Eν=0,384 MeV

SonnenmodelleDie komplizierten Berechnungen der Sonnenmodelle beruhen

auf 3 Grundgleichungen

Überschlagsrechnungpro Zyklus wird 26,73 MeV Energie frei.

davon entfallen 2% auf Neutrinos, also bleiben 26,14 MeV für Photonen übrig. Da pro Zyklus 2 Neutrinos entstehen, entspricht 1 Neutrino 13 MeV Photonenenergie

Bekannt ist die Solarkonstante: S=8,5.1011 MeVcm-2s-1

Daraus folgt:

Flüsse in Abh. der Energie

Voraussagen der SSM

1 SNU = 10-36 Einfänge pro Atom und Sekunde

Experimente1. radiochemische Experimente:

radioakt. Tochterkern, der mit „sinnvoller“ Halbwertszeit zerfällt.

2. realtime Experimente:Nachweis der Elektronen aus Elektron-Neutrino Streuung über Cherenkov-Strahlung

Vorteil: Information über Richtung, Einfallzeit, Energie bleibt erhalten

Realtime ExperimenteMethode:ν + e- ⇒ ν + e-

Nachweis der Strahlung über Photomultiplier

Das Chlor-Experiment•Start Anfang 1968 bis heute

37Cl + νe ⇒ 37Ar + e-

•Nachweis über:

37Ar ⇒ 37Cl + e+ + νe-

•Schwellenergie: 0,81 MeV•Halbwertszeit: 35 Tage

Homestake Mine in South-Dakota

Aufbau des 37Cl-ExperimentsFüllung des Tanks: 615t C2Cl4

24 % des natürlichen Chlors ist37Cl, also 2,2 x 1030 Cl-Atome verfügbar

Also entspricht eine Rate von1 Ar Atom pro Tag: 5,35 SNU

Ergebnis: Vorhersage: [Bah92]Φ= 2,56 ± 0,22 SNU Φ=8,0 ± 3,0 SNU

Problem!!

GALLEX/SAGE•Start 1991•Reaktion:

71Ga +νe ⇒ 71Ge +e-

•SAGE: 60t Ga•GALLEX 30t Ga

Ergebnisse:

GALLEX: SAGE:69,7 ± 6,7 (stat) SNU 69 ± 10 (stat) SNU

Funktionsweise GALLEX/SAGE

• Schwellenergie:233 keV ⇒ Μessung von pp-Neutrinosmöglich

• Eichquelle: 2 MCi 51Cr – Quelle

• Extraktion über GeH4 undProportionalzähler

Vergleich mit Theorie

GALLEX: Davis:69,7 ± 6,7 (stat) SNU 2,56 ± 0,22 SNU

1 SNU = 10-36 Einfänge pro Atom und Sekunde

SuperKamiokande

Echtzeit-Experiment

•Ort: 1.000 m unter N.N. in der Kamioka Mine in Japan

•Messung der Cherenkov-Strahlung durch 11.200 Photomultiplier (Flächenabdeckung 40 %) in 32.000t Wasser

•Behältergröße: ca 40m x 40 m (Zylinder)

•Schwellenergie 5 MeV ⇒ 8B Neutrinos

•Ergebnisse:

Φ(8B)= 2,4 ± 0,08 106 cm-2 s-1

das entspricht 46 % der Vorhersage !!

SuperKamiokande

Reaktionen im SNO

Möglichkeit, sowohl den Gesamt-fluß (NC), als auch νe-Fluß (CC)zu messen.

Test der Neutrinooszillations-hypothese

Ergebnisse des SNO (2001) in 106 cm-2 s-1

ΦCC(8B)=1,75 ± 0,07 -0,11+0,12

stat sys

ΦES(8B)=2,39 ± 0,34 -0,14+0,16

stat sys

∗ΦES(8B)=2,32 ± 0,03 -0,07 SuperKamiokande+0,08

stat sys

*S.Fukuda, et al., Hep-ex 0103032

Vergleich der Ergebnisse

Die Differenz der Flüsse ist ein starkes Indiz für eine Neutrinoumwandlung auf dem Weg zwischen Sonne und Erde !!

Ergebnisse 2002 in 106 cm-2 s-1

ΦCC(8B)=1,76 +0,06 +0,09

stat sys-0,05 -0,09

ΦES(8B)=2,39stat sys

+0,24 +0,12

-0,23 -0,12

Theorie:

Φ(8B)=5,05+1,01

-0,81ΦNC(8B)=5,09stat sys

+0,44 +0,46

-0,43 -0,43

Neutrinooszillation

Annahme:Der Flavoreigenzustand |νe,µ,τ> ist nicht identisch mit dem Masseneigenzustand |νi>:

Flavors können ineinander umgewandelt werden.

Dazu Voraussetzung:

• Neutrinos haben eine Masse

• Diese Masse ist für jeden Masseneigenzustand unterschiedlich.

|

Neutrinooszillation bei 2 Flavors

Es gilt also: |f>=Uν |m>

Flavor Masse

ΘΘ−ΘΘ

=νν

ννν

cossinsincos

U

Θν=Vakuummischungswinkel

Zeitliche Entwicklung

Abhängigkeit von 2 Parametern:

1. Vakuummischungswinkel θν

2. EnergiedifferenzUnter Annahme gleicher Impulse, kann ∆E auch durch die Massendifferenz ausgedrückt werden:

Em

EmmEE

22

221

22

12∆

=−

=−

Zusammenfassung

• Resultate der Ga/Cl-Experimente stehen im Wiederspruch zum SSM (50% weniger Neutrinos als erwartet kommen an)

• Nach SNO-Experiment deutet alles auf eine Neutrinooszillation hin, weitere Experimente (2002/2003) werden sicherere Erkenntnisse liefern

• immer noch Probleme und Unsicherheiten (Tag/Nacht-Differenz etc.)