prof. dr. caren hagner - forschungsgruppe neutrinophysik · diese struktur wird besser sichtbar in...
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Prof. Dr. Caren Hagner Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee 149 22761 Hamburg
Email: [email protected] Büro: DESY Gelände Bahrenfeld, Geb. 62, Zi. 210 Telefon: 040 8998 2297 Webseite: http://neutrino.desy.de/ Sprechstunden: nach Vereinbarung (email)
Forschungsgebiet: Neutrinophysik (Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik)
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper
Wiederholung: Schwache Wechselwirkung
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 2
Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen allen fundamentalen Fermionen
Einteilung der Prozesse nach Art des Austauschbosons: • geladene Stromreaktion (engl. charged current = CC ): • neutrale Stromreaktion (neutral current = NC):
Einteilung der Prozesse nach Art der beteiligten Teilchen: • rein leptonisch:
• semileptonisch:
• nicht leptonisch:
Myon-Zerfall (teilweise Wiederholung)
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 3
Die schwache Wechselwirkung ist nicht deshalb schwach, weil die Kopplung klein ist, sondern weil das Austauschteilchen eine so große Masse hat!
Flavour (auch Flavor)
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 4
NUR die schwache Wechselwirkung kann Übergänge zwischen verschiedenen Flavorzuständen bewirken!
b
t
s
c
d
u
vv
e
ve
Wir betrachten zunächst die Übergänge zwischen den Quarks
Erklärung: Quarkmischung
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 5
Ursache: Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung ≠ Masseneigenzustände
Der Einfachkeit halber zunächst Betrachtung für 2 Generationen
Beispiele:
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 6
Historische Anmerkung: GIM Mechanismus
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 7
1963 waren nur die u,d,s Quarks bekannt
Quarkmischung mit 3 Familien
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 8
100
0cossin
0sincos
cos0sin
010
sin0cos
cossin0
sincos0
001
1212
1212
1313
1313
2323
2323
i
i
CKM
e
e
V
Es gibt viele Möglichkeiten die 4 Parameter zu wählen. Eine sehr verbreitete ist:
Gemessene Werte
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 9
Diese Struktur wird besser sichtbar in der Wolfenstein Parametrisierung (perturbative Näherung der CKM Matrix):
Quarkmischung hat stark hierarchische Struktur!
b
s
d
VVV
VVV
VVV
b
s
d
tbtstd
cbcscd
ubusud
Wiederholung: Quark-Mischung
Cabbibo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix
• 3 Mischungswinkel
• 1 Phase: ei (Bedeutung für CP-Verletzung)
BELLE II (Zukunft),
LHCb,
BELLE, BABAR,
CLEO,…
Präzisionsexperimente zur Bestimmung der Matrixelemente
b
t
s
c
d
u
b
t
s
c
d
u
Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung
Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung
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Die Bedeutung der komplexen Phase der CKM-Matrix
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Problem: Materie - Antimaterie Asymmetrie des Universums
A. Sacharov 1967: Kriterien um Materie-Antimaterie Asymmetrie zu erzeugen Eines davon: CP-Verletzung muss vorhanden sein!
Damals waren nur u,d,s, Quarks bekannt. 1964 wurde die CP-Verletzung der schwachen Wechselwirkung im Kaon-System entdeckt. (Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch)
Kobayashi und Maskawa erkannten, dass die Phase einer komplexen Mischungsmatrix zu CP-Verletzung führt. Allerdings muss es mindestens 3 Generationen geben, damit die Mischungsmatrix eine komplexe Phase enthalten kann. Sie sagten deshalb eine 3. Generation voraus (zu einer Zeit als noch nicht einmal die 2. Generation vollständig bekannt war!) Erst 1974 wurde das c Quark (in Form des J/Ψ Teilchens) entdeckt. Etwa ab 2000 wurde in den B-Fabriken die CP Verletzung im B-System präzise vermessen.
2008: Nobelpreis für Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa
Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 12
"for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature".
Kobayashi and Maskawa wrote: "Please accept our deepest respect for the B-factory achievements. In particular, the high-precision measurement of CP violation and the determination of the mixing parameters are great accomplishments, without which we would not have been able to earn the Prize." Japanese translated: first line (three characters) reads "Ko Bayashi Makoto". The second line (four characters) reads "Masu Kawa Toshi Hide".
KEKB/Belle
Neutrinomischung (= Leptonmischung)
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Bitte beachten: Da einige der folgenden Phänomene erst vor kurzem (ca. 1998 bis 2013) entdeckt wurden, kann die Darstellung in Lehrbüchern veraltet sein. In vielen Büchern kommt die Leptonmischung noch gar nicht vor.
Im Standardmodell: Neutrinos besitzen Ruhemasse = 0
Seit 1998 experimentell bewiesen: Neutrinos besitzen Ruhemasse. (Das schwerste Neutrino hat eine Masse im Bereich von ca.50meV – 2eV)
Das Standardmodell muss erweitert (geändert) werden!
Auch für die Leptonen gilt: Eigenzustände der Masse ≠ Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung
3
2
1
321
321
321
UUU
UUU
UUU eeee
„Neutrinomischung“
Parametrisierung der Neutrinomischung
Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) Matrix: • 3 Mischungswinkel: θ12, θ23, θ13 • 1 Dirac-Phase (CP verletzend): δ
Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) Matrix: • 3 Mischungswinkel: θ12, θ23, θ13 • 1 Dirac-Phase (CP verletzend): δ
3
2
1
1212
1212
1313
1313
2323
2323
100
0
0
0
010
0
0
0
001
cs
sc
ces
esc
cs
sci
i
eθ12
θ13, δ
θ23
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Die Mischungswinkel können mit Hilfe von Neutrino-Oszillationen gemessen werden
3
2
1
132313231223121323122312
132313231223121323122312
1313121312
ccescsscesccss
csesssccessccs
escscc
ii
ii
i
e
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v1
v2
v3
ve
vμ
vτ
θ12 θ12 ve
vμ
vτ
θ13
θ12
vτ
vμ
ve
θ23
θ13 ve
vμ
vτ
Die Mischungsmatrix beschreibt eine Rotation mit den 3 Eulerwinkeln
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Was bedeutet die Neutrinomischung?
Wir können z.B. berechnen wie sich der Zustand v3 aus dem Elektron-, Myon- und Tau-Zustand zusammen setzt :
Auf diese Weise ergibt sich heute folgendes Bild (qualitativ)
ve vμ
vτ
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Noch eine Darstellungsmöglichkeit:
Leptonmischung vs. Quarkmischung
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0.2
Die nächste große Frage in der Neutrinophysik: Gibt es auch bei den Leptonen CP-Verletzung?
(d.h. wie groß ist die komplexe Phase δ?)
Warum sind die Strukturen so unterschiedlich? Welche neue Physik steckt dahinter?
Neutrino-Oszillationen
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Sind eine Konsequenz aus Neutrinomassen und Neutrinomischung
3
2
2323
2323
cossin
sincos
Wir wissen aus dem Experiment, dass θ23 ≈ 45o:
Bedeutung: Die Wahrscheinlichkeit, dass vμ die Masse m2 hat ist cos2θ23
Um die Grundzüge des Mechanismus der Neutrino-Oszillationen zu verstehen genügt es die Mischung von 2 Flavour Zuständen mit 2 Massenzuständen zu betrachten.
Myon- und Tau-Neutrino unterscheiden sich nur in der Phasenbeziehung der beiden Massenzustände.
Mechanismus der Neutrino-Oszillationen (stark vereinfacht)
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3
2
2323
2323
cossin
sincos
Flavor eigenstates vμ, vτ Mass eigenstates v2,v3 with m2, m3
W
vμ
μ
source creates flavor-eigenstates
vτ
W
τ
p,n hadrons
detector sees flavor-eigenstates
v2
v3
propagation determined by mass-eigenstates
Ozillationswahrscheinlichkeit
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GeV in
km ineV in267.1sin2sin)(
22
232
23
2
E
LmP
Experimente zu Neutrino-Oszillationen
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Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino eines anderen Flavors erscheint (= „Appearence“)
Wahrscheinlichkeit, dass Neutrino des ursprünglichen Flavors verschwindet („Disappearence“)
Beispiel: Messung von KamLAND
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Neutrinos aus Kernreaktoren: Nur Anti-Elektron Neutrinos, im Bereich von ca. 2 - 10 MeV. KamLAND „sieht“ Anti-Neutrinos aller japanischen Kernkraftwerke. Die Energie der Anti-Neutrinos wird gemessen mit der Reaktion: Die mit der Reaktorleistung gewichtete mittlere Entfernung ist L0 ≈ 180km.
Wiederholung: Neutrinooszillationen
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GeV in
km ineV in267.1sin2sin)(
22
232
23
2
E
LmP
2 2
232 2
23
in eV in km( ) 1 sin 2 sin 1.267
in GeV
m LP
E
Super-Kamiokande
atmospheric neutrinos
accelerator neutrinos
KamLAND
reactor neutrinos solar neutrinos
SNO
vμ→v,(s)
Oszillation
Δm232 ≈ 2·10-3 eV2
ve→vμ,τ
Oszillation Δm12
2 ≈ 8·10-5 eV2
+ Gallex/GNO, Sage,
Super-K, Homestake,
BOREXINO
+ K2K, MINOS,
OPERA, T2K
Die zahlreichen Oszillationsexperimente liefern ein konsistentes Bild der Neutrino Oszillationen
+ Double Chooz,
Daya Bay, RENO
Präzisionsmessung der Neutrino-Oszillationen
MINOS: Suche nach dem Verschwinden der vµ = “Disappearance Experiment”
“Measurement of the neutrino mass splitting and flavor mixing by MINOS “
MINOS Coll., Phys.Rev.Lett.106:181801,2011 (arXiv:1103.0340)
(90%CL) 90.02sin
)CL%90(eV1032.2m
23
2
2312.0
08.0
2
32
Typisches Diagramm der erlaubten Werte der Oszillationsparameter (Hier: Vergleich der Oszillationen von Neutrinos und Anti-Neutrinos bei MINOS)
MINOS arxiv:1202.2772
“Neutrino light” from the Sun (Super-Kamiokande)
Solare Neutrinos Solare Neutrinos
MeV7.2622He4 4
eep
TZentral = 15 Mio K
Solarkonstante 8.5∙1011 MeV/cm2s
6.5∙1010 ve/cm2s
Creighton Mine (Nickel)
Sudbury, Canada
Creighton Mine (Nickel)
Sudbury, Canada
Depth 2070m
1000t D2O 1000t D2O
9500 PMTs 9500 PMTs
Neutrino Nachweis in SNO
xx vnpdv
eppdve evev ee
NC
CC
ES
Ergebnis von SNO
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Der gesamte Fluss der Neutrinos (Elektron-, Myon- und Tau-Flavor) stimmt mit dem vom Standard Sonnenmodell vorhergesagten überein.
Auf der Erde kommen nur 1/3 der Neutrinos als Elektron-Neutrinos an (Disappearence).
2/3 der Neutrinos werden als Myon- oder Tau-Flavor nachgewiesen. Sie sind durch Neutrino-Oszillationen aus den ursprünglich emittierten Elektron-Neutrinos hervorgegangen (Appearence).
In der Sonne kommt es durch die hohen Elektronendichten zu effektiven Mischungswinkeln und effektiven Massenzuständen ( = MSW Effekt).
Anmerkung zur Historie:
• 1957-58: B. Pontecorvo beschreibt erstmals die Möglichkeit von Neutrino Oszillationen (Weil aber damals nur ve bekannt war, dachte er an Neutrino ↔ Anti-Neutrino Oszillationen)
• 1962 Maki, Nakagawa, Sakata beschreiben die Mischung von 2 Flavors und diskutieren Übergänge zwischen den Neutrino Flavors.
• 1967 vollständige Diskussion der 2 Flavor Mischung, Möglichkeit von Oszillationen der Sonnen-Neutrinos und der Existenz von sterilen Neutrinos durch B. Pontecorvo.
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Was wissen wir über die Neutrinomassen?
Δm2solar ≈ 8·10-5eV2, Δm2
atm ≈ 2·10-3eV2
v3
v1
v2
≳ 0.05 eV
normale Hierarchie
Δmsolar
Δmatm
v1
v2
v3
Invertierte Hierarchie
Δmatm
Δmsolar
v3 v1 v2
≲ 2 eV
Quasi-entartet
ve vμ
vτ
Helizität
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Achtung: Die Helizität hängt vom Bezugssystem ab. Beispiel:
Chiralität (Händigkeit)
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Chiralität (Händigkeit): Lorentzinvariante Größe Für masselose Teilchen (in sehr guter Näherung für Neutrinos) ist Helizität = Händigkeit linkshändig: Chiralität = -1, rechtshändig: Chiralität = +1. Für massive Teilchen gilt: Linkshändig: Die Wahrscheinlichkeit für h = -1 ist größer (proportional zu β = v/c) doch auch h = +1 kommt vor (proportional zu 1-β). Rechtshändig: Die Wahrscheinlichkeit für h = +1 ist größer (proportional zu β = v/c) doch auch h = -1 kommt vor (proportional zu 1-β).
An der schwachen Wechselwirkung nehmen nur linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen teil.
(Masselose) Neutrinos sind immer linkshändig, (masselose) Antineutrinos sind immer rechtshändig.
Maximale Verletzung der Parität in der schwachen Wechselwirkung
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Vor 1956: Man nahm an, dass die Gesetze der Physik nicht zwischen Bild und Spiegelbild unterscheiden.
1956: Lee & Yang vermuten, dass dies in der schwachen WW verletzt sein könnte. Sie schlagen einen experimentellen Test vor.
1957: Experiment von C. S. Wu zum Beta-Zerfall von 60Co
Die Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung ist kein kleiner Effekt, sie ist sogar maximal! Sie ist ein Hauptmerkmal der schwachen Wechselwirkung:
Entdeckung der P-Verletzung: Experiment von C. S. Wu
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Der Zerfall des Pions
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