teil ii: sonnen- und reaktor-neutrinos€¦ · - neutrino-oszillationen erklären solares...
Post on 19-Oct-2020
4 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos
Teil II: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos
1Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos
Neutrino-Physik
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V1: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 2
• im Standardmodell: ν sind masselos
• Massengrenzen aus Zerfallskinematik: – M(νe) < 2 eV/c2 (Tritium Endpunkt)
– M(νμ) < 0.19 MeV/c2
– M(ντ) < 18.2 MeV/c2
Eigenschaften der Neutrinos
• Massengrenzen aus Kosmologie (Strukturbildung): – ΣM(νe, νμ, ντ) < 0.2 eV/c2
• ν (ν) gehorchen nur der Schwachen Wechselwirkung (falls masselos); max. Paritätsverletzung: Helizität -1 (+1)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V1: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 3
• mögliche Konsequenzen von ν-Massen:
Eigenschaften der Neutrinos
– flavour-Eigenzustände νe νμ ντ können Mischung der Massen-Eigenzustände ν1 ν2 ν3 sein – –> Oszillationen zwischen flavour-Eigenzuständen
• ν könnten ihre eigenen Antiteilchen sein (Majorana Teilchen)
– ν könnten ein (kleines) magnetisches Moment haben –> wechselwirken auch elektromagnetisch?
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 4
2-Flavour Neutrino Oszillationen:
3-Flavour Neutrino Oszillationen:
€
cij = cosθij
€
sij = sinθij
€
θatm ≅θ23
€
θsolar ≅θ12es gilt:
δ: CP verletzende Phase
n.b.: CP Verletzung hängt immer mit s13 zusammen!
z.B.: |νµ⟩ =−sinθ|ν1⟩+cosθ|ν2⟩
(L in km, E in GeV, m in eV)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 5
•Solare Neutrinos (Entstehen bei den Fusionsreaktionen in der Sonne), ca 2 x 1038 /s, Fluss auf der Erde ~ 7 x 1010 cm-2s-1 •Kosmische Hintergrundneutrinos Ausfrieren aus thermischen Gleichgewicht ~ 1s nach dem Urknall Temperatur ~ 1.9 K, <E> ~ 5 x 10-4 eV, ~ 330/cm3 •Kosmische Neutrinoquellen Supernova-Explosionen, Aktive Galaxien, GRBs... •Atmosphärische Neutrinos Entstehung in Luftschauern kosmischer Strahlung •Geo-Neutrinos Radioaktiver Zerfall in der Erde, Gesamt-Leistung ~ 20 TW, Fluss ~ 107 cm-2s-1 •Von Menschen erzeugte Neutrinos Reaktor-Neutrinos (MeV-Bereich), ca 1020 /s; Beschleuniger (MeV -> GeV),
Neutrino-Quellen:
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 6
Sensitivität verschiedener Oszillationsexperimente
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 7
Φν =2Lsun25MeV
14π (1AU)2
= 7 ⋅1010 sec−1 cm−2
Energieerzeugung in der Sonne
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 8
billion
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 9
+12.8 MeV +0.86 MeV
+18.8 MeV
Das solare Standardmodell: Proton-Proton-Kette
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 10
der CNO Kreislauf (Bethe-Weiszäcker)
• CNO dominiert in schweren Sternen • Sonne: ca. 1.7% des 4He durch CNO, sonst p-p.
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 11
Solar Neutrino Spectrum (prediction)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 12
Solar Neutrino Spectrum (prediction)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 13
Die Sonne „gesehen“ mit Neutrinos (SuperK)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 14
langjährige Messungen: wir sehen signifikant zu wenige Neutrinos von der Sonne!
Experimente messen i.w. 8B Neutrinos
Quelle: Serenelli, Neutrino 2012, Kyoto
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 15
(SNO)(1999-2006, near Ontario, Canada)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 16
SNO misst Elektron-Neutrino-Raten (cc) und Summe aller Neutrinos (nc):
gesamter Neutrinofluss (nc) stimmt gut mit Erwartung aus solarem Standardmodell (SSM) überein, aber nur 1/3 kommt als
Elektron-Neutrino an ––> Oszillationen!
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos
• Kann man Neutrino Oszillationen mit man-made Neutrinos sehen?
• schwierig für kleine Δm2
• Um LMA zu testen, braucht man L~100km, 1kt
• niedrige Eν, hohe Φν
• Reaktor: n -> p e– νe• Nachweis: νe p –> n e+
• e+ : e+ e– –> 2γ; n Einfang17
Psurv = 1− sin2 2θ sin2 1.27Δm2c4
eV2GeVEν
Lkm
%
& '
(
) *
1kt
KamLAND
Terrestrische “Solare Neutrinos”:Neutrinos von Kernreaktoren
€
n→ p e– ν e
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 18
Kamland ist umgeben von vielen Hochleistungsreaktoren (L ~180 km)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 19
Energiespektren
gemessenes Spektrum
; ~2% theor. b
ekan
nt; <
1%
berechnetes
Reaktorspektrum;
~5% ??
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 20
≈Proper time τ
L0=180 km
KamLANDReaktor Neutrinos oszillieren!
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 21
Zusammenfassung aller Oszillations-Messungen (farbige Fächen) und Ausschlussmessungen (Linien): [Annahme: 2-ν-mixing]
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 22
Kombination aller solaren Neutrino Daten mit KamLAND Reaktor Daten:
€
Δm2 = 8.0−0.4+0.6 ×10−5eV 2
€
θ = 33.9−2.2+2.4 deg
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 23
θ13 ?
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 24
• target: 5 t flüssig-Szintillator, dotiert mit Gadolinium • containment region: 17 t Szintillator (undotiert) • veto region: 80 t Szintillator (undotiert)
Chooz
sin2θ13 < 0.17 (θ13 < 24°) bei Δm132 = 2.5 10-3 eV2
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 25
Double-Chooz (
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 26
Double-Chooz
• 10 t Flüssigszintillator (Gadolinium-dotiert)
• 500 Photomultiplier
• Untersuchung von sin2θ13 im Bereich ~ 0.03 bis 0.20
• Sensitivität: 0.03 nach 3 Jahren Betrieb
Messung: - inverser β-Zerfall νe p → n e+ - e+ e- Vernichtung → 2γ - n-Einfang Gadolinium → γ (30 ms)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 27
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 28
Double-Chooz
after ~3 years with both detectors: Δsin2θ13 ~ 0.03
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 29
sin2(2θ13)=(0.09±0.03)
Double-Chooz (2013; far detector)
(χ2/n.d.f. = 51.4/40)
Rate+Shape results
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 30
Daya Bay
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 31
Daya Bay
mono-energetische ν
Daya Bay E-Verteilung
• Sensitivität: bis 0.01 in sin2θ13
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 32
Folien von: Chao Zhang (Brookhaven), Neutrino 2014 Boston
Daya Bay Antineutrino Detector
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 33
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 34
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 35
sin2 2θ13 = 0.08±0.005 |Δm2
ee| = 2.44±0.10 10-3eV2
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 36
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 37
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 38
weitere offene Fragen:
- Majorana oder Dirac Neutrions? - Massen-Hierarchie? - CP-Verletzung im Neutrino-Sektor
Zusammenfassung:
- Neutrino-Oszillationen erklären solares Neutrino-Defizit! – Neutrinos haben Masse! - Reaktorneutrinos bestätigen Oszillation der atmosph. und solaren Neutrinos - sin2 2θ13 = 0.080±0.005 > 0 (-> CP Verletzung messbar)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 39
Massenhierarchie:
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 40
3-Neutrino global fit (2012):
(33.7±1.0)0
(38.5±1.4)0
( 8.9±1.5)0
(G.L. Fogli, 2012)
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 41
Literatur:
• B. Kayser, „Neutrino Mass, Mixing, and Flavor Change“: arXiv:0804.1497 [hep-ph]
• Th. Schwetz et al., „Three-flavour neutrino oscillation update“; arXiv:0808.2016v2
• neueste Resultate von der Boston Neutrino Conference 2014: http://neutrino2014.bu.edu
• K. Nakaruma, S. Petcov „Neutrino Mass, Mixing, and Oscillations“: auf: pdg.lbl.gov
• G.L. Fogli et al., „Global analysis of neutrino masses, mixings and phases”; arXiv:1205.5254, Phys.Rev: D86, 013012.
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V1: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 42
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V1: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 43
Geschichte der Neutrino-Physik• 1931 W. Pauli postuliert Existenz des Neutrinos in β-Zerfall • 1934 E. Fermi stellt Theorie des π-Zerfalls vor (inkl. Neutrino) • 1959 Entdeckung des νe (Reines und Cowan; Nobelpreis 1995) • 1962 Entdeckung des νµ (Steinberger, Schwartz, Ledermann; Nobelpreis 1988) • 1968 Erste Messung der Sonnenneutrinos (νe): weniger als 50% der erwarteten Intensität („solares Neutrino-Problem“) • 1987 Kamiokande und IMB (Protonzerfallexperimente) sehen Neutrinos von SN 1987a (Nobelpreis an Koshiba 2002) • 1988 Kamiokande sieht nur 60% der erwarteten atmosphärischen νµ • 1990 LEP-Experimente beweisen Existenz von genau 3 Generationen leichter Neutrinos • 1998 Super-Kamiokande zeigt Evidenz für Neutrino-Oszillationen (νµ), –> Neutrinos haben endliche Masse • 2000 explizite Bestätigung und Beobachtung des ντ • 2001 Bestätigung des solaren νe Defizits und der Neutrino- Oszillationen durch SNO
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 44
z.B.: |νµ⟩ =−sinθ|ν1⟩+cosθ|ν2⟩
Neutrino-Oszillation: 2 Neutrinos
flavour-Eigenzustände να νβ können Mischung der Massen-Eigenzustände ν1 ν2 sein
allgemein darstellbar durch Drehung im 2-dim. Raum:
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 45
Neutrino-Oszillation: 2 Neutrinos
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 46
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 47
Wechselwirkung mit Materie
Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS15 S.Bethke, F. Simon V11: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 48
Neutrino-Elektron Streuung
top related