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10.6. Neutrinos
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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)
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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?
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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
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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)
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Überblick: Stellare Evolution
Woosley & Janka 2005
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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)
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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)
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● Nachweisprinzip -> Cherenkov-Licht des Positrons in Wasser (Nachweisschwelle ~ 10 MeV)
Nachweis der Neutrinos
Ursprünglich Experimente zur Suche nach p-Zerfall
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Cherenkov-Effekt
“isotrope” Polarisation des
Mediums
“Dipol”-Polarisation des Mediums
cosθc=1/(βn)
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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)
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Konsequenzen: Masse und Lebensdauer von ν
e (Tafel)
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Neutrinooszillationen (Tafel)
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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)
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Experimente zur Neutrinooszillation
● In handlicheren Einheiten:
„Appearance“ (vα->v
α) oder
„Disappearance“-Experimente (v
α->v
β)
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„Appearance“-Experiment
● z.B. OPERA (Hamburger Beteiligung):
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Energiespektrum der Neutrinos
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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
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Ergebnis: Rexp
=(0,33±0,05) SSM2/3 der Neutrinos „fehlen“!
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Weitere Experimente
● Konsistente Resultate mit Gallium und Wasser-Cherenkov-Detektoren
● Erklärung: Neutrinooszillation
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SNO-Experiment (Sudbury Neutrino Observatory in Kanada)
2070 m Tiefe1000 t D
2O
9500 Photomultiplier
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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
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Atmosphärische Neutrinos
● Kosmische Strahlung (geladene Kerne) erzeugen Teilchenkaskaden in der Atmosphäre
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Oszillation atmosphärischer Neutrinos
Super-Kamiokande
12.000 Photomultiplier50 kTonnen H
2O
Kamioka-Bergwerk, Japan
vμ und
v
e
Ereignisse:
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Ergebnis: Atmosphärische Neutrino-Oszillation
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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
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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?)