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Nachweis der Neutrinooszillationen mit
SNO
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2
Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNO
Nina Hernitschek 18.06.10
� Geschichte des Neutrinos
� Neutrinos im Standardmodell
� Neutrinos von der Sonne
� Homestake-Experiment
� Solares Neutrinoproblem
� Neutrinooszillationen
� SNO-Experiment
� Datennahme und Auswertung
� Ergebnisse
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3
Geschichte des Neutrinos1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme und Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� 1930: Pauli postuliert neues leichtes Spin-1/2-Teilchen damit die Energieerhaltung beim -Zerfall gegeben istβ
� 1933: Fermi formuliert erste Theorie des nuklearen -Zerfallsund nennt das Teilchen „Neutrino“
β
� 1956: Cowan und Reines detektieren von einem Reaktor emittierteElektron-Antineutrinos
� 1957: Pontecorvo sagt Neutrino-Oszillationen theoretisch voraus
� 1957: Goldhaber-Experiment: Neutrinos linkshändig und masselos
� 1962: zweite Neutrinosorte (Myon-Neutrino) wird entdeckt
� 1968: Homestake-Experiment � „solares Neutrino-Defizit“
� 1978: Entdeckung des Leptons � Tauon-Neutrinoτ
� 1998: Super-Kamiokande entdeckt Evidenz für Neutrino-Massen
� 2001: erstmals Neutrino-Oszillationen aus SNO-Datennachgewiesen
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4
Neutrinos im Standardmodell1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme und Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung, die sieerzeugt und vernichtet
� keine Ladung, keine Masse � nur schwachen Wechselwirkung
� Leptonenzahlerhaltung im Standardmodell: Übergänge nurinnerhalb der Leptonenfamilien
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5
Warum Interesse an Neutrinos?1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
„Only neutrinos, with their extremely small interaction cross sections,can enable us to see into the interior of a star,
and thus verify directly the hypothesis of nuclear energy generationin stars.“
John N. Bahcall (1964)
Fusion von Wasserstoff zu Helium
pp-Zyklus
� 98.4 % der Sonnenenergie� 98.6 % der solaren Neutrinos
CNO-Zyklus
� 1.6 % der Sonnenenergie� 1.4 % der solaren Neutrinos
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6
pp-Zyklus1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� hohe Temperatur � Kerne vollständig
ionisiert
� nur Elektron-Neutrinos
� sehr energiereiche 8B-Neutrinos
� hauptsächlich produzierte pp-Neutrinos tragen zu den meisten Experimenten nicht bei
8B-Neutrino
Netto-Reaktion: 4p � 4He +2e+ +2 eν
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7
CNO-Zyklus1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� CNO-Zyklus ist theoretischnoch nicht sehr gut verstanden
� spielt in unserer Sonne fürTemperatur und Neutrino-erzeugung nur untergeordneteRolle
� wäre die Sonne etwas heißer,würde Anteil des CNO-Zyklusstark zunehmen
Netto-Reaktion: 4p � He4 +2e+ +2 eν
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8
Das Standard-Sonnenmodell1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme und Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� wurde von John N. Bahcall (1934 – 2005) entwickelt
� Grundlage für die Berechnung fast aller stellaren Entwicklungen
� beschreibt quantitativ die solaren Kernreaktionen
� beschreibt detailliert die Neutrinoerzeugung
� beschreibt die Sonne als Plasmaball im hydrodynamischenGleichgewicht
� war zur Zeit der ersten Neutrinoversuche noch nicht gesichert
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9
Solares Neutrinospektrum1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
eν
Notation:pp: p + p � e+ + + d7Be: e- + 7Be � + 7Lipep: p + e- + p � + d8Be: 8B � 8Be + e+ +hep: 3He + p � 4He + e+ +
eν
eνeν
eν
![Page 10: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/10.jpg)
10
Erwarteter Neutrinofluss1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� Luminosität der Sonne: sMeVWL /10401.210846.3 3926 ×=×=∗
� Neutrinoemissionsrate: 1381084.1/2/)( −∗ ×≈= sQLdtdN eν
� Neutrinofluss auf der Erde: 1210104.6)( −−×≈Φ scmeν
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11
Homestake-Experiment1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� seit 1970 in der HomestakeGoldmine in South Dakota
� in einer Tiefe von 1480 m zur Abschirmung der kosmischenund atmosphärischen Strahlung
� 615 t Perchlorethylen (C2Cl4)
� 2002: Nobelpreis an Davis, Koshiba und Giacconi
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12
Nachweismethode Homestake-Experiment1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
eν
� Nachweis über radiochemische Messung von 37Ar:
+ 37Cl � e- +37Ar, ES=0.814 MeV
� da ES=0.814 MeV: sensitiv ab 7Be-Neutrinos
� aus 615 t Perchlorethylen (C2Cl4) werden nach 60 – 70 Tagen Messzeit (Sättigung erreicht) alle Argonatome mit Hilfe von Helium ausgespült
� in Proportionalzählern wird 37Ar-Zerfall gemessen (t1/2 = 37 Tage)
37Ar + e- � Cl + +eν γ
![Page 13: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/13.jpg)
13
Ergebnisse Homestake-Experiment1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� nach Messzeit von 108 Zyklen (1970 – 1994):
±� Resultat: 0.482 0.042 Neutrinoereignisse pro Tag � Rexp = 2.56 0.22 SNU
Anm.: 1 SNU (Solar Neutrino Unit) = 1 Neutrino-Einfang pro sec und 1036 Targetkernen
±
� aus Sonnenmodell erwartet: RSSM = 8.0 3.0 SNU±
3
1exp ≈SSMR
Rsolares Neutrinodefizit
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14
Solares Neutrinoproblem1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme und Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� gemessener Neutrinofluss deutlich zu gering gegenüber solaremStandardmodell
� Zwei Hauptmöglichkeiten:
� Solares Standardmodell ist falsch oder zumindest teilweise fehlerhaft
� Neutrinooszillationen, d.h. Umwandlungen von einemNeutrinoflavour in das andere
![Page 15: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/15.jpg)
15
Lösungsansätze für das Solare Neutrinoproblem1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� fehlerhaft angenommene Neutrinoeigenschaften
Neutrinozerfall
Umwandlung in Antineutrinos
Umwandlung in rechtshändige Neutrinos
Neutrinooszillationen im Vakuum
Neutrinooszillationen in Materie
![Page 16: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/16.jpg)
16
Neutrinooszillationen1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� Neutrinooszillation als Erklärung für solares und atmosphärisches Neutrinoproblem:
eνDefizit im Neutrino-Fluss der Sonne (Homestake-Experiment):
� Umwandlungµν
Defizit in den durch kosmische Strahlung erzeugten NeutrinosIn der Atmosphäre (Kamiokande-Experiment):
� Umwandlungeνµν
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17
Annahmen1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� stabile, ultrarelativistische Neutrinos im Vakuum
� reiner Dirac- oder Majorana-Charakter
� CP-Erhaltung
� mindestens ein Neutrino besitzt eine von Null verschiedeneRuhemasse
� Mischung der Flavourzustände möglich� Leptonenzahlerhaltung verletzt!
Allgemein:
n Flavour-Eigenzustände (Leptonenzahl-Eigenzustände)
n Masse-Eigenzustände
Flavour- und Masse-Eigenzustände sind über eine unitäre3x3 Mischungsmatrix U miteinander verbunden:
aν
iν
ia U νν =
![Page 18: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/18.jpg)
18
Zustandsmischungen1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� für kleines istmit m1 und mit m2
θ11cos ννθ ≈→≈ e 2νν µ ≈
� für (maximaler Mischungswinkel) bestehen die Zustände gleichermaßen aus den Masseneigenzuständen
4/πθ =
θθ
θcos
θsin
2ν
1ν
eν
µν θsin
θcos
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19
Zustandsmischungen1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
bei zwei Flavour-Eigenzuständen:
ΘΘ−ΘΘ
=
2
1
cossin
sincos
νν
νν
µ
e Θmit Mischungswinkel
Übergangswahrscheinlichkeit:
2
1
0
cossin
sincos
0
00
cossin
sincos
0
1
)(
2
1
ΘΘΘ−Θ
ΘΘ−ΘΘ
=→
−
−
tiE
tiE
e
e
e
P µνν
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20
Oszillationslänge im Vakuum1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
Oszillationswahrscheinlichkeit:
∆⋅Θ=→E
LmP e 4
sin)2(sin)(2
22µνν
� nur Oszillationen, falls und nicht verschwindenm∆Θ
� nur Massendifferenz, nicht Masse fließt mit ein
![Page 21: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/21.jpg)
21
Anforderungen für Experiment1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� Homestake-Experiment ergab solares Neutrinodefizit
� aber: Homestake-Experiment konnte Neutrinos nicht unterscheiden
�Experiment zur Messung der Elektron-Neutrinos und der gesamtenNeutrinos nötig
� eben Genanntes erklärt Ergebnisse aus Homestake-Experiment
![Page 22: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/22.jpg)
22
Sudbury Neutrino Observatory - Messmethode1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
Neutrinos nicht direkt messbar � indirekte Messung über Elektronen
� Cerenkov-Detektor mit 1000 t reinem schwerem Wasser (D2O)
Cerenkov-Licht
αθ
αθ
� geladenes Teilchen mit v>cMedium strahlt Lichtkegel in bestimmtem Öffnungswinkel ab
� Lichtkegel beleuchtet Detektorwand ringförmig
� Ringintensität lässt Rückschluss auf Energie zu
� Öffnungswinkel des „Machkegels“:
für Lichtkegel:β
αn
1sin =
αθ −°= 90
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23
Sudbury Neutrino Observatory1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
der Detektor befindet sich ca. 2 km unter der Erdoberfläche in der Creighton Mine
� Schutz gegen kosmische Strahlung
![Page 24: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/24.jpg)
24
Sudbury Neutrino Observatory1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
Photomultiplier-Tubes
Acryl-Hohlkugel12 m Durchmesser1000 t D2O (kleiner Neutrino-WQ)umgeben von 1700 t leichtem Wasser
Support Sphere9456 20-cm-Photomultiplier-Tubes54 % von 4umgeben von 5700 t leichtem Wasser91 nach außen gerichtete Photomultiplier23 nach innen gerichtete Photomultiplier
π
![Page 25: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/25.jpg)
25
Reaktionen im SNO Detektor1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
Cerenkov-Licht
v
ve-
e-
ES-Reaktion (Streuung)fast nur Elektron-Neutrinos
Verwendung von D2O hat einen entscheidenden Vorteil gegenüberanderen Experimenten: SNO ist für alle Neutrino-Flavours sensitiv
� direkter Vergleich zwischen den einzelnen Neutrino-Flüssen
v v
np p
n35Cl
36Cl
γ
γ γγ
NC-Reaktion(mit Z-Bosonen)alle Neutrinos
Deuteron
ve
Cerenkov-Licht
e-
np p
p
CC-Reaktion(mit W-Bosonen)nur Elektron-Neutrinos
Deuteron
� ES: Kinematisch klar korreliertNC: nicht korreliert (viele Zwischenschritte)CC: etwas korreliert
![Page 26: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/26.jpg)
26
Reaktionen im SNO Detektor1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
v
ve-
e-
Cerenkov-Licht
Elastic-Scattering-Reaktion
� + e- � + e-xν xν
� genügend Intensität: Ee > 5 MeV
� Wirkungsquerschnitt für und um Faktor 7 kleiner als für eνµν τν
� 3 Events/Tag erwartet
� entgegen der Sonne gerichtet
![Page 27: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/27.jpg)
27
Reaktionen im SNO Detektor1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
Neutral-Current-Reaktion
� + d � + p + nxν xν
� sensitiv für alle drei Flavoursv v
np p
n35Cl
36Cl
γ
γ γγ
Deuteron
� Neutron-Einfang: -Strahlungγ
� Streuung an Elektronen (Compton-Effekt)
� e- beschleunigt
� Cerenkov-Licht
� 30 Events / Tag erwartet
� isotrop
![Page 28: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/28.jpg)
28
Reaktionen im SNO Detektor1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
Charged-Current-Reaktion
� Nachweis: nur für eν
� 30 Events/Tag erwartet
ve
Cerenkov-Licht
e-
np p
pDeuteron
� + d � p + p + e-eν
� ca. 30 % anti-gepeakt
![Page 29: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/29.jpg)
29
SNO Phase I und Phase II1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� SNO Phase I
Verwendung von 1000 Tonnen D2O wie beschrieben
� SNO Phase II
Zusatz von 2 Tonnen NaCl
� Erhöhung der Neutrinoeinfang-Kapazität und des Cherenkov-Lichts
� Neutroneneinfang von 35Cl produziert mehrere -Strahlen während CC- und ES-Reaktionen nur einen Strahl erzeugen
� gute statistische Trennung der Event-Arten
γ
![Page 30: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/30.jpg)
30
Berücksichtigung von Untergrundeffekten1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� 214Bi u. 208Tl aus Zerfallsketten von U u. Th
viele verschiedene Quellen für Untergrund
� erzeugen freie Neutronen durch Spaltung des Deuteron
� Cerenkov-Licht wie bei NC-Reaktion
γ
� atmosphärische Neutrinos
� Neutrinos aus kosmischer Strahlung
� Neutrinos aus Kernreaktoren
![Page 31: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/31.jpg)
31
SNO Phase I1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� 2. November 1999 – 28. Mai 2001� 306.4 Tage Messzeit
� Rohwerte reduziert auf 2929 Events im Bereich von 5 – 20 MeV
� Neutronendetektion mit 252Cf-Neutronenquelle kalibriert
![Page 32: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/32.jpg)
32
SNO Phase I1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� Trennung der drei Reaktionen durch drei Verteilungen
� : Cosinus des Winkels zwischen Richtung des Cherenkov-Events und der Sonnenrichtung
θcos
� Volumen R < 550 cm, Teff > 5MeV
![Page 33: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/33.jpg)
33
SNO Phase I1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� Vorhersagen für CC, NC, ES� gemessene Daten mit Maximum-Likelihood-Methode (Statistik)
jeweils in Einheiten von 106 cm−2s−1
(Ergebnisse aus Paper von Mai 2002)
![Page 34: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/34.jpg)
34
SNO Phase I1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� Ausklammern des Standard-Neutrino-Spektrums � unabhängig von Standard-Sonnen-Modell
� Vorhersage des Standard-Sonnen-Modells für 8B-Neutrinos: 5.05
� 8B-Neutrinos unterliegen Flavour-Oszillationen
� Gesamtneutrinofluss aus NC-Reaktion stimmt im Rahmen der Fehlergrenzen mit dem SSM-Modell für 8B überein
Ergebnis von SNO Phase I
![Page 35: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/35.jpg)
35
SNO Phase II1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� 26. Juli 2001 – 10. Oktober 2002 � 254.2 Tage Messzeit
� 435,721,068 Rohwerte
� reduziert auf 3055 Events
� Neutronendetektion mit 252Cf-Neutronenquelle kalibriert
� Effizienz gegenüber Phase I um etwa den Faktor 3 gesteigert
� Vorhersagen für CC, NC, ES� gemessene Daten mit Maximum-Likelihood-Methode (Statistik)
jeweils in Einheiten von 106 cm−2s−1
![Page 36: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/36.jpg)
36
Zusammenfassung der Ergebnisse1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
� SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau demberechneten Fluss an
� ein Drittel : 1,76 Mio (cm s)-1
� zwei Drittel und : 3,41 Mio (cm s)-1 für Ev ≥ 5 MeV
� Nachweis von Tag-Nacht-Schwankungen bzw. jahreszeitlichen Schwankungen der gemessenen Neutrinoverteilungen
� Asymmetrien zwischen Tag und Nacht lassen auf eine veränderteNeutrinooszillation in Materie schließen: gewisser Anteil der Neutrinos wird bei Durchgang durch die Erde (also nachts) wiederzu Elektron-Neutrinos
eν
µν τν
� Neutrinos haben Masse (sonst keine Oszillationen)
� Durchgang durch Materie beeinflusst Neutrino-Oszillationen
![Page 37: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/37.jpg)
37
Oszillation in Materie: MSW-Effekt1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
MSW-Effekt geht zurück auf Mikheyev und Smirnow auf Grundlage theoretischer Vorarbeit von Wolfenstein:
� Anwesenheit von Materie beeinflusst entscheidend Neutrino-Oszillation
� kohärente, elastische Vorwärtsstreuung von Neutrinos in Materie führt zu Abhängigkeit des Mischungswinkels und der Oszillationslänge von der Elektronendichte
� alle Neutrinos streuen über Z0-Austauschteilchen der schwachen WW
� Elektron-Neutrinos streuen zusätzlich über W+/--Austausch
![Page 38: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/38.jpg)
38
Ausblick: Massenhierarchie der Neutrinos1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme u. Auswertung
9. Ergebnisse
10. Ausblick
Nina Hernitschek 18.06.10
Neutrinooszillations-Experimente messen nur Massendifferenzen
mögliches Neutrino-MassenspektrumDie drei Masseneigenzustände sindjeweils Mischungen aus den Flavor-Eigenzuständen , undeν µν τν
� Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) hat die direkte Bestimmung der Elektron-Neutrinomasse zum Ziel
� so oder entgegengesetzt?
![Page 39: Nachweis der Neutrinooszillationen mit SNOfschney/Seminar.SS10/Hernits… · Neutrinoemissionsrate: ( )/ 2 / 1.84 10 38 −1 dN νe dt =L∗ Q ≈ × s Neutrinofluss auf der Erde:](https://reader033.vdokument.com/reader033/viewer/2022041503/5e23139117e0926011178411/html5/thumbnails/39.jpg)
39
Quellen1. Geschichte des Neutrinos
2. Neutrinos im Standardmodell
3. Neutrinos von der Sonne
4. Homestake-Experiment
5. Solares Neutrinoproblem
6. Neutrinooszillationen
7. SNO-Experiment
8. Datennahme und Auswertung
9. Ergebnisse
Nina Hernitschek 18.06.10
Brookhaven National Laboratorywww.bnl.gov
The Neutron Oscillation Industryhttp://www.neutrinooscillation.org/
Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral currentinteractions in the Sudbury Neutrino Observatory.*By SNO Collaboration (Q.R. Ahmad/ et al.)e-Print: *nucl-ex/0204008*
Measurement of day and night neutrino energy spectra at SNO andconstraints on neutrino mixing parameters.*By SNO Collaboration (Q.R. Ahmad/ et al.)e-Print: *nucl-ex/0204009*
Measurement of the total active B-8 solar neutrino flux at the SudburyNeutrino Observatory with enhanced neutral current sensitivity.*By SNO Collaboration (S.N. Ahmed/ et al.)e-Print: *nucl-ex/0309004*
C. Amsler et al. (Particle Data Group-Kollaboration), Review of Particle Physics,Phys. Lett. B667 (2008), 1.