Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.
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Solare NeutrinosSolare Neutrinos
Henning Hünteler 289194Henning Hünteler 289194
Betreuer: Dr. Sven RakersBetreuer: Dr. Sven Rakers
07.07.200407.07.2004
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Allgemeine GliederungAllgemeine Gliederung
Grundlegende InformationenGrundlegende Informationen
Neutrinoentstehung in der SonneNeutrinoentstehung in der Sonne
Bisherige NachweisversucheBisherige Nachweisversuche
Das NeutrinoproblemDas Neutrinoproblem
Aktuelle und zukünftige ExperimenteAktuelle und zukünftige Experimente
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Grundlegende Grundlegende InformationenInformationen
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Grundlegende Grundlegende InformationenInformationenDer Der ββ-Zerfall-Zerfall
Endeckung: Becquerel (1900, Endeckung: Becquerel (1900, Nobelpreis 1903)Nobelpreis 1903)
Hypothese:Hypothese:
Probleme dieser Theorie:Probleme dieser Theorie:
Kontinuierliches ElektronenspektrumKontinuierliches Elektronenspektrum
Energie-, Impuls-, Energie-, Impuls-, Drehimpulserhaltung verletztDrehimpulserhaltung verletzt
n p e
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Grundlegende Grundlegende InformationenInformationen
Mögliche Mögliche ErklärungsversucheErklärungsversuche Mehrere Energieniveaus im Kern, Mehrere Energieniveaus im Kern,
Zerfall in angeregten Zustand Zerfall in angeregten Zustand
Problem: Keine γ-Strahlung Problem: Keine γ-Strahlung beobachtetbeobachtet
Energieerhaltung modifizieren:Energieerhaltung modifizieren:
Evtl. EEvtl. EAnfangAnfang≥E≥EEndeEnde
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Grundlegende Grundlegende InformationenInformationen
Paulis HypothesePaulis Hypothese Grundlegend neuer Ansatz:Grundlegend neuer Ansatz:
Neues Teilchen als „Bilanzfälschung“ Neues Teilchen als „Bilanzfälschung“ des des ββ-Zerfalls-Zerfalls
Neutrino („kleines Neutrales“)Neutrino („kleines Neutrales“)
Eigenschaften: Spin: ½, keine Masse, Eigenschaften: Spin: ½, keine Masse, keine Ladung, keine keine Ladung, keine WechselwirkungWechselwirkungn p e
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Grundlegende Grundlegende InformationenInformationen
Eigenschaften der Eigenschaften der NeutrinosNeutrinos
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Grundlegende Grundlegende Informationen Informationen
Nachweis durch Reines und Nachweis durch Reines und CowanCowan
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Grundlegende Informationen Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Nachweis durch Reines und
CowanCowan Das Savannah-River-Das Savannah-River-
ExperimentExperiment
UnterirdischUnterirdisch
12m unterhalb eines Kernreaktors12m unterhalb eines Kernreaktors
Nachweis der Nachweis der γγ-Quanten mit -Quanten mit PhotomultipliernPhotomultipliern
Nachweis der Neutronen mit Nachweis der Neutronen mit CadmiumCadmium
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Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
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Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
Maximale Verzögerung zwischen Maximale Verzögerung zwischen Annihilation und Neutroneneinfang: 10µsAnnihilation und Neutroneneinfang: 10µs
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Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
Bei Signal: Bei Signal: 1.) 1. Signal von Positron?1.) 1. Signal von Positron? 2.) 2. Signal von Neutron?2.) 2. Signal von Neutron? 3.) Signal von umgekehrtem 3.) Signal von umgekehrtem
ββ-Zerfall-Zerfall 4.) Ausschluss anderer 4.) Ausschluss anderer
SignalquellenSignalquellen
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Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
Nobelpreis 1996 für ReinesNobelpreis 1996 für Reines
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Neutrinoentstehung in der Sonne
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Neutrinoentstehung in der Neutrinoentstehung in der SonneSonne
Der pp-ZyklusDer pp-Zyklus Der pp-Zyklus liefert 98,4% der solaren Der pp-Zyklus liefert 98,4% der solaren
Energie:Energie:2
ep e p H 2ep p H e
2 3H p He
3 42 2He He p 3 4 7He He Be 3 4
eHe p He e
2,4*10-5%Eν≤18,77MeV
99,75%Eν≤0,42MeV
0,25%Eν=1,44MeV
86%
7 7eBe e Li 7 8Be p B
7 42Li p He 8 8eB Be e
8 42Be He
Eν≤14,06MeV
14%
14% 0,02%90%: Eν=862keV10%: Eν=384keV
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Neutrinoentstehung in der Neutrinoentstehung in der SonneSonne
Der CNO-ZyklusDer CNO-Zyklus13 13
eN C e
15 15eO N e
17 17eF O e
15 12 4N p C He
12 13C p N
13 14C p N
14 15N p O
17 14 4O p N He
16 17O p F
15 16N p O
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Neutrinoentstehung in der Neutrinoentstehung in der SonneSonne
Das NeutrinospektrumDas NeutrinospektrumNamNamee
ReaktionReaktion
pppp 0.26680.2668 0.4230.423±0.03±0.03
peppep 1.4451.445 1.4451.445
hephep 9.6289.628 18.77818.778
0.38550.3855
0.86310.86310.38550.3855
0.86310.8631
6.7356.735±0.±0.036036
14,0614,06
0.70630.7063 1.19821.1982±0.0±0.0003003
0.99640.9964 1.7317±0.01.7317±0.0005005
0.99770.9977 1.7364± 1.7364± 0.00030.0003
[ ]E MeVmax[ ]E MeV
2ep p H e
2ep e p H
3 4eHe p He e
7 7eBe e Li
8 8eB Be e
15 15eO N e
17 17eF O e
13 13eN C e
7Be
8B13N15O17F
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Neutrinoentstehung in der Neutrinoentstehung in der SonneSonne
Das NeutrinospektrumDas Neutrinospektrum
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheEine neue EinheitEine neue Einheit
Zur Beschreibung der Einfangraten Zur Beschreibung der Einfangraten wird neue Einheit eingeführt:wird neue Einheit eingeführt:
1 SNU (solar neutrino unit) 1 SNU (solar neutrino unit)
=10=10-36-36 Einfänge pro Sekunde und Einfänge pro Sekunde und TargetatomTargetatom
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Homestake-ExperimentDas Homestake-Experiment Aufbau 1968 von R. Davis, erstes Aufbau 1968 von R. Davis, erstes
Experiment zum Nachweis von NeutrinosExperiment zum Nachweis von Neutrinos
Einfangreaktion:Einfangreaktion:
Nachweisreaktion: Nachweisreaktion:
37 37eCl Ar e
37 37eAr Cl e
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Homestake-ExperimentDas Homestake-Experiment Aufbau:Aufbau:
Homestake-Goldmine, South DakotaHomestake-Goldmine, South Dakota
Abschirmtiefe 1478m (4100mwe)Abschirmtiefe 1478m (4100mwe)
ΦΦµµ=4m=4m-2-2dd-1-1
615t Perchlorethan C615t Perchlorethan C22ClCl44, n(, n(3737Cl)/n(Cl)=0,24Cl)/n(Cl)=0,24
→→2,2*102,2*103030 Targetatome Targetatome
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Homestake-ExperimentDas Homestake-Experiment Die Extraktion des Argon:Die Extraktion des Argon: Ausspülen des Argon mit HeliumAusspülen des Argon mit Helium Abkühlung mit StickstoffAbkühlung mit Stickstoff
KondensationKondensation
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Homestake-ExperimentDas Homestake-Experiment Befüllung von speziellen Zählrohren Befüllung von speziellen Zählrohren
mit dem gewonnenen Argon unter mit dem gewonnenen Argon unter extrem schwerer Bleiabschirmungextrem schwerer Bleiabschirmung
Bestimmung der gewonnenen Bestimmung der gewonnenen Argonmenge durch den RückzerfallArgonmenge durch den Rückzerfall
τ≈τ≈35d35d
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Homestake-ExperimentDas Homestake-Experiment Schwellenenergie:Schwellenenergie:
77Be, Be, 88B, pep, hep – Neutrinos werden B, pep, hep – Neutrinos werden detektiertdetektiert
0,814ClthE MeV
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Homestake-ExperimentDas Homestake-Experiment Mittlere Zählrate gemittelt über die Mittlere Zählrate gemittelt über die
letzten 25 Jahre:letzten 25 Jahre:
Der theoretische Wert nach dem Der theoretische Wert nach dem Standard-Sonnen-Model beträgt:Standard-Sonnen-Model beträgt:
exp 2,56 0,16 0,16 2,56 0,32ClR SNU SNU
1,31,17,6Cl
SSMR SNU
![Page 27: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/27.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheGallex und GNOGallex und GNO
GALLium EXperiment und Gallium Neutrino GALLium EXperiment und Gallium Neutrino ObservatoryObservatory
Messungen: 1991-1997 (Gallex)Messungen: 1991-1997 (Gallex)1998-2000 (GNO)1998-2000 (GNO)
Einfangreaktion:Einfangreaktion:
Nachweisreaktion:Nachweisreaktion:
71 71eGa Ge e
71 71eGe Ga e
![Page 28: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/28.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheGallex und GNOGallex und GNO
Aufbau:Aufbau:
Gran Sasso Underground LaboratoryGran Sasso Underground Laboratory
ItalienItalien
Abschirmtiefe: 3300mweAbschirmtiefe: 3300mwe
30,3t Gallium in 101t GaCl30,3t Gallium in 101t GaCl33-HCl-HCl
![Page 29: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/29.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheGallex und GNOGallex und GNO
Bestimmung des Ge-Gehalts:Bestimmung des Ge-Gehalts:
2GeCl2GeCl44 wird in Wasser eingeleitet: wird in Wasser eingeleitet:
→ → GeHGeH44
Bestimmung des Ge-Zerfalls (Bestimmung des Ge-Zerfalls (ττ=16,5 =16,5 d) mit Hilfe von d) mit Hilfe von ProportionalzählrohrenProportionalzählrohren
![Page 30: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/30.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheGallex und GNOGallex und GNO
Schwellenenergie für Galliumexperimente: Schwellenenergie für Galliumexperimente: 0,233MeV0,233MeV
Alle solaren Neutrinos können detektiert Alle solaren Neutrinos können detektiert werdenwerden
![Page 31: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/31.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheGallex und GNOGallex und GNO
Mittlere Zählrate gemittelt über 7, bzw. 3 Mittlere Zählrate gemittelt über 7, bzw. 3 Jahre Messzeit:Jahre Messzeit:
Der theoretische Wert nach dem Standard-Der theoretische Wert nach dem Standard-Sonnen-Model beträgt:Sonnen-Model beträgt:
, 4,3 7,6exp 4,7 7,877,5 6,2 77,5Ga GallexR SNU SNU
97128Ga
SSMR SNU
, 10,2 3,4 10,79,6 3,6 10,265,8 65,8Ga Gno
GaR SNU SNU
, 4,0 6,74,2 6,874,1 5,4 74,1Ga Gallex Gno
GaR SNU SNU
![Page 32: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/32.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
KamiokandeKamiokande Kamioka Neutrino Detektor Experiment, Kamioka Neutrino Detektor Experiment,
erstes Echtzeit-Experimenterstes Echtzeit-Experiment
Messungen: 1987-1995Messungen: 1987-1995
Einfangreaktion:Einfangreaktion:
Nachweis des Cherenkov-Lichtes Nachweis des Cherenkov-Lichtes
der Elektronender Elektronen
e e
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
KamiokandeKamiokande Aufbau:Aufbau:
Kamioka mine (200 km westlich Tokio)Kamioka mine (200 km westlich Tokio)
Abschirmtiefe: 1000m (2700mwe)Abschirmtiefe: 1000m (2700mwe)
3000t H3000t H22O, 948 PMTsO, 948 PMTs
![Page 34: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/34.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
KamiokandeKamiokande Detektion des Cherenkov-Lichtes:Detektion des Cherenkov-Lichtes:
Streuung eines Neutrinos an einem ElektronStreuung eines Neutrinos an einem Elektron
Elektron emittiert Cherenkov-LichtElektron emittiert Cherenkov-Licht
Detektion über die PMTsDetektion über die PMTs
Keine Kernreakion sondern StreuungKeine Kernreakion sondern Streuung
Sensitiv für alle NeutrinoflavoursSensitiv für alle Neutrinoflavours
σσ((ννµµ)≈ )≈ σσ((ννττ)≈ 0,15*)≈ 0,15*σσ((ννee))
e
![Page 35: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/35.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
KamiokandeKamiokande Informationen überInformationen über
EinfallwinkelEinfallwinkel NeutrinoenergieNeutrinoenergie Zeitlicher VerlaufZeitlicher Verlauf
Energieschwelle: 6,75 MeV, nur Energieschwelle: 6,75 MeV, nur 88B und B und hep-Neutrinoshep-Neutrinos
Gemessener Neutrinofluss:Gemessener Neutrinofluss:6 2 12,82 0,37 10e
Kam cm s
8 , 1,01 6 2 10,815,05 10
e
B SSM cm s
![Page 36: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/36.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
Super-Kamioka Neutrino Detektor ExperimentSuper-Kamioka Neutrino Detektor Experiment
Messungen: 1996-2001Messungen: 1996-2001
Einfangreaktion:Einfangreaktion:
Nachweis des Cherenkov-Lichtes Nachweis des Cherenkov-Lichtes
der Elektronender Elektronen
e e
![Page 37: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/37.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
Aufbau:Aufbau:
Kamioka mine (200 Kamioka mine (200 km westlich Tokio)km westlich Tokio)
Abschirmtiefe: Abschirmtiefe: 1000m (2700mwe)1000m (2700mwe)
50000t H50000t H22O, 11146 O, 11146
50cm-PMTs50cm-PMTs
![Page 38: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/38.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
Energieschwelle: 4,75 MeV, nur Energieschwelle: 4,75 MeV, nur 88B und B und hep-Neutrinoshep-Neutrinos
Gemessener Neutrinofluss:Gemessener Neutrinofluss:6 2 12,82 0,37 10e
Kam cm s
8 , 1,01 6 2 10,815,05 10
e
B SSM cm s
![Page 39: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/39.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
![Page 40: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/40.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
3-dimensionale Simulation der Events:
scharf begrenzter Kreis: Myon,
verwaschener Kreis: Elektron
![Page 41: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/41.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
![Page 42: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/42.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
Der Unfall:Der Unfall:
12.11.2001, 11:01:30: Ein PMT implodiert12.11.2001, 11:01:30: Ein PMT implodiert
durch eine Kettenreaktion werden 6665 durch eine Kettenreaktion werden 6665 PMTs zerstörtPMTs zerstört
![Page 43: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/43.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversucheSuper-KamiokandeSuper-Kamiokande
Wiederaufbau bis 2006, 25M$Wiederaufbau bis 2006, 25M$ Seit Ende 2003 vorsichtige Seit Ende 2003 vorsichtige
Wiederaufnahme des K2K-ExperimentsWiederaufnahme des K2K-Experiments
![Page 44: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/44.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das NeutrinospektrumDas Neutrinospektrum
![Page 45: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/45.jpg)
Das NeutrinoproblemDas Neutrinoproblem
![Page 46: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/46.jpg)
Das NeutrinoproblemDas Neutrinoproblem
Erste Diskrepanz zwischen Erste Diskrepanz zwischen Vorhersage und Messung 1968 beim Vorhersage und Messung 1968 beim Homestake-Experiment, danach bei Homestake-Experiment, danach bei allen anderen durchgeführten allen anderen durchgeführten Versuchen, etwa derselbe Faktor.Versuchen, etwa derselbe Faktor.
![Page 47: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/47.jpg)
Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemErklärungsversucheErklärungsversuche
![Page 48: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/48.jpg)
Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemErklärungsversucheErklärungsversuche
![Page 49: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/49.jpg)
Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemErklärungsversucheErklärungsversuche
Schon 1969: Schon 1969: Theorie der Theorie der Neutrinooszillation Neutrinooszillation von Vladimir von Vladimir Gribov und Bruno Gribov und Bruno PontecorvoPontecorvo
![Page 50: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/50.jpg)
Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemNeutrinooszillationNeutrinooszillation
Zunächst: Nur 2 Neutrinos im VakuumZunächst: Nur 2 Neutrinos im Vakuum Beschreibung identische mit jener von z.B.Beschreibung identische mit jener von z.B.
Wobei Wobei θθVV der Vakuummischungswinkel ist. der Vakuummischungswinkel ist. ννe,µe,µ sind sind die Flavour-Eigenzustände und die Flavour-Eigenzustände und νν1,21,2 die die Masseneigenzustände. Masseneigenzustände.
Dann folgt für die zeit. Entwicklung der Neutrinos: Dann folgt für die zeit. Entwicklung der Neutrinos:
0 0( , )nn K K
1
2
cos sin
sin cose V V
µ V V
1
2
1
2
( ) cos sin (0)0
sin cos (0)( ) 0
iE te V V
iE tV Vµ
t e
t e
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Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemNeutrinooszillationNeutrinooszillation
Wahrscheinlichkeit ein Wahrscheinlichkeit ein ννee nach der Zeit t als nach der Zeit t als ννe e
anzutreffen:anzutreffen:
Unter der Annahme dass die Unter der Annahme dass die Masseneigenzustände denselben Impuls haben Masseneigenzustände denselben Impuls haben gilt für die Energiedifferenz:gilt für die Energiedifferenz:
OBdA: mOBdA: m22>m>m11
2 2 21 2
1( ) (0) 1 sin 2 sin ( )
2e e Vt E E t
2 2 22 1
2 1 2 2
m m mE E
E E
![Page 52: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/52.jpg)
Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemNeutrinooszillationNeutrinooszillation
So lässt sich eine Oszillationslänge bestimmen:So lässt sich eine Oszillationslänge bestimmen:
R ist hier die zurückgelegte Strecke und LR ist hier die zurückgelegte Strecke und LVV die die Oszillationslänge:Oszillationslänge:
Bei gleichen Massen findet keine Oszillation Bei gleichen Massen findet keine Oszillation stattstatt
Neutrinos besitzen eine endliche Neutrinos besitzen eine endliche Masse!!!Masse!!!
2 2 21 sin 2 sine e VV
R
L
2
2 3 2
42,48V
E E eVL m
m c MeV m
![Page 53: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/53.jpg)
Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemNeutrinooszillationNeutrinooszillation
Nun werden 3 Flavoureigenzustände Nun werden 3 Flavoureigenzustände betrachtet, die sich als Kombination aus betrachtet, die sich als Kombination aus den 3 Masseneigenzuständen auffassen den 3 Masseneigenzuständen auffassen lassen:lassen:
mit:mit:
11 2 3
1 2 3 2
1 2 3 3
e e e e
µ µ µ µ
U U U
U U U
U U U
1 2 3 13 13 12 12
1 2 3 23 23 12 12
1 2 3 23 23 13 13
1 0 0 0 0
0 0 1 0 0
0 0 0 0 1
ie e e
µ µ µi
U U U c s e c s
U U U c s s c
U U U s c s e c
cosij ijc sinij ijs :ij Mischungswinkel:ie Phasenfaktor
![Page 54: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/54.jpg)
Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemNeutrinooszillationNeutrinooszillation
Die Umwandlungswahrscheinlichkeit in Die Umwandlungswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit der zurückgelegten StreckeAbhängigkeit der zurückgelegten Strecke
![Page 55: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/55.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
![Page 56: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/56.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Sudbury Neutrino Sudbury Neutrino Observatory (SNO)Observatory (SNO) Sudbury Neutrino ExperimentSudbury Neutrino Experiment
Messungen: 1999-2002Messungen: 1999-2002
Einfangreaktionen:Einfangreaktionen::
:
:
eCC d p p e
NC d p n
ES e e
![Page 57: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/57.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Sudbury Neutrino Sudbury Neutrino Observatory (SNO)Observatory (SNO) Aufbau:Aufbau:
Creighton Mine, Sudbury, OntarioCreighton Mine, Sudbury, Ontario
Abschirmtiefe: 2073m (6010mwe)Abschirmtiefe: 2073m (6010mwe)
1000t D1000t D22O, 9456 20cm-PMTsO, 9456 20cm-PMTs
![Page 58: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/58.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Sudbury Neutrino Sudbury Neutrino Observatory (SNO)Observatory (SNO) Energieschwellen:Energieschwellen:
8
( ) 8,2
( ) 2,2 ,
( ) 7,0
SNOthSNOthSNOth
E CC MeV
E NC MeV B hep
E ES MeV
6 2 1 6 2 11,76 0,05 0,09 10 1,76 0,10 10e
SNOv cm s cm s
,
0,48 6 2 1 0,66 6 2 10,45 0,643,41 0,45 10 3,41 10
µ
SNOv cm s cm s
8 , 1,01 6 2 10,815,05 10
e
B SSM cm s
![Page 59: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/59.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Bestätigung der Oszillation Bestätigung der Oszillation durch SNOdurch SNO
![Page 60: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/60.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das KATRIN-ExperimentDas KATRIN-Experiment Neutrinomassen aus Kinematik von Neutrinomassen aus Kinematik von
ZerfallsprozessenZerfallsprozessen Bisher: m(Bisher: m(ννee)≤2,2 eV)≤2,2 eV
m(m(ννµµ)≤ 170keV)≤ 170keV
m(m(ννττ) ≤15,5MeV) ≤15,5MeV Mit KATRIN (erste Testmessungen 2006) Mit KATRIN (erste Testmessungen 2006)
kann die Elektron-Neutrinomasse bis auf kann die Elektron-Neutrinomasse bis auf 0,35eV bestimmt werden0,35eV bestimmt werden
Nachweis der Reaktion Nachweis der Reaktion Halbwertszeit: 12,32aHalbwertszeit: 12,32a
3 3eH He e
![Page 61: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/61.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das KATRIN-ExperimentDas KATRIN-Experiment
![Page 62: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/62.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das KATRIN-ExperimentDas KATRIN-Experiment Aufbau:Aufbau:
Reduzierung des Untergrundes im Reduzierung des Untergrundes im Vorspektrometer,Vorspektrometer,
Messung der Energie im MAC-E SpektrometerMessung der Energie im MAC-E Spektrometer
![Page 63: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/63.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Long-Baseline-ExperimenteLong-Baseline-Experimente Überprüfung der Theorien zur Überprüfung der Theorien zur
NeutrinooszillationNeutrinooszillation
Experimente mit künstlichen Neutrinos, Experimente mit künstlichen Neutrinos, die bis zu 12000km bis zum Detektor die bis zu 12000km bis zum Detektor zurücklegenzurücklegen
Unterscheidung in Beschleuniger- und Unterscheidung in Beschleuniger- und Reaktorbasierte Experimente Reaktorbasierte Experimente (Neutrinos aus Zerfällen, oder (Neutrinos aus Zerfällen, oder bestehenden Reaktoren)bestehenden Reaktoren)
![Page 64: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/64.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Long-Baseline-ExperimenteLong-Baseline-Experimente
Appearance: Detektion von Neutrinos Appearance: Detektion von Neutrinos die in der Quelle nicht produziert die in der Quelle nicht produziert wurdenwurden
Disappearance: Diskrepanz der Disappearance: Diskrepanz der detektierten Neutrinos zum detektierten Neutrinos zum theoretischen Werttheoretischen Wert
![Page 65: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/65.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das K2K-ExperimentDas K2K-Experiment Detektion der Myon-Neutrinos:Detektion der Myon-Neutrinos:
Erste Ergebnisse: 1999-2001: 4,8*10Erste Ergebnisse: 1999-2001: 4,8*101919 der der 10102020 Protonen abgeschossen. Nachweis von Protonen abgeschossen. Nachweis von 56 Ereignissen, theoretisch: 8056 Ereignissen, theoretisch: 80±4,9±9,0±4,9±9,0
![Page 66: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/66.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das MINOS-ExperimentDas MINOS-Experiment Experiment wie bei K2KExperiment wie bei K2K Start: Anfang 2005Start: Anfang 2005 Baseline: 734 kmBaseline: 734 km Protonenfluss: 3,8*10Protonenfluss: 3,8*102020/a/a Ferner Detektor: MINOS Ferner Detektor: MINOS
Sandwich aus 243 Sandwich aus 243 Stahlplatten und Stahlplatten und Szintillatorstreifen, 5ktSzintillatorstreifen, 5kt
Naher Detektor: 1kt Naher Detektor: 1kt MINOSMINOS
![Page 67: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/67.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das CERN-Gran Sasso-Das CERN-Gran Sasso-ExperimentExperiment Start: 2006 Start: 2006
Appearence Appearence von von ττ--NeutrinosNeutrinos
4,5*104,5*101919ProtonProtonen/aen/a
![Page 68: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/68.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das JHF-SK-ExperimentDas JHF-SK-Experiment Start: 2006Start: 2006 Appearence-Experiment (Appearence-Experiment (ννee)) 10102121 Protonen/a Protonen/a Ferner Detektor: Super-KamiokandeFerner Detektor: Super-Kamiokande
![Page 69: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/69.jpg)
Aktuelle und zukünftige Aktuelle und zukünftige ExperimenteExperimente
Das JHF-Hyper-Kamiokande-Das JHF-Hyper-Kamiokande-ExperimentExperiment Ausbau des Ausbau des
Beams auf die 5-Beams auf die 5-fache Leistungfache Leistung
Bau des Hyper-Bau des Hyper-Kamiokandes, Kamiokandes, Tochibora-Tochibora-ZinkmineZinkmine
1Mt-Wasser, 1Mt-Wasser, 500m langer Tank500m langer Tank
![Page 70: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/70.jpg)
Vielen Dank für die Vielen Dank für die AufmerksamkeitAufmerksamkeit
![Page 71: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/71.jpg)
Grundlegende Informationen Grundlegende Informationen Nachweis durch Reines und Nachweis durch Reines und
CowanCowan Das Savannah-River-Das Savannah-River-
ExperimentExperiment
UnterirdischUnterirdisch
12m unterhalb eines Kernreaktors12m unterhalb eines Kernreaktors
Nachweis der Nachweis der γγ-Quanten mit -Quanten mit PhotomultipliernPhotomultipliern
Nachweis der Neutronen mit Nachweis der Neutronen mit CadmiumCadmium
![Page 72: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/72.jpg)
Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
![Page 73: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/73.jpg)
Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
Maximale Verzögerung zwischen Maximale Verzögerung zwischen Annihilation und Neutroneneinfang: 10µsAnnihilation und Neutroneneinfang: 10µs
![Page 74: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/74.jpg)
Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
Bei Signal: Bei Signal: 1.) 1. Signal von Positron?1.) 1. Signal von Positron? 2.) 2. Signal von Neutron?2.) 2. Signal von Neutron? 3.) Signal von umgekehrtem 3.) Signal von umgekehrtem
ββ-Zerfall-Zerfall 4.) Ausschluss anderer 4.) Ausschluss anderer
SignalquellenSignalquellen
![Page 75: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/75.jpg)
Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
1.) Einfügen von 1.) Einfügen von Bleiplatten Bleiplatten zwischen 2 der 3 zwischen 2 der 3 DetektorenDetektoren
Signal oben < Signal oben < Signal untenSignal unten
Signal stammt aus Signal stammt aus den Wassertanks, den Wassertanks, PositroniumannihilPositroniumannihilationation
![Page 76: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/76.jpg)
Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
2.) Verringerung 2.) Verringerung der Cd-der Cd-KonzentrationKonzentration
Zählrate sinktZählrate sinkt
NeutroneneinfangNeutroneneinfang
![Page 77: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/77.jpg)
Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
3.) Ersetzen des 3.) Ersetzen des Wassers durch Wassers durch Schweres WasserSchweres Wasser
Theoretisch istTheoretisch ist
15 mal seltener als15 mal seltener als
Zählrate sinktZählrate sinkt
ProtonenabhängigProtonenabhängig
2 2e H n e
e p n e
![Page 78: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/78.jpg)
Grundlegende Grundlegende Informationen Nachweis Informationen Nachweis durch Reines und Cowandurch Reines und Cowan
4.1 Variation des störenden 4.1 Variation des störenden HintergrundstrahlungHintergrundstrahlung
4.24.2 Veränderung der Veränderung der DetektorabschirmungDetektorabschirmung
keine Signalveränderungkeine Signalveränderung NeutrinonachweisNeutrinonachweis
Nobelpreis 1996 für ReinesNobelpreis 1996 für Reines
![Page 79: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/79.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Sage-ExperimentDas Sage-Experiment Soviet-American-Gallium-ExperimentSoviet-American-Gallium-Experiment
Messungen:1990-2001Messungen:1990-2001
Einfangreaktion:Einfangreaktion:
Nachweisreaktion:Nachweisreaktion:
71 71eGa Ge e
71 71eGe Ga e
![Page 80: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/80.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Sage-ExperimentDas Sage-Experiment Aufbau:Aufbau:
Baksan Neutrino Observatory, nördlicher Baksan Neutrino Observatory, nördlicher KaukasusKaukasus
Abschirmtiefe 2000m (4700mwe)Abschirmtiefe 2000m (4700mwe)
ΦΦµµ=2,6m=2,6m-2-2dd-1-1
50t metallisches 50t metallisches 7171GaGa
4,3*104,3*102929 Targetatome Targetatome
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Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Sage-ExperimentDas Sage-Experiment Schwellenenergie für Galliumexperimente: Schwellenenergie für Galliumexperimente:
0,233MeV0,233MeV
Alle solaren Neutrinos können detektiert Alle solaren Neutrinos können detektiert werdenwerden
![Page 82: Solare Neutrinos Henning Hünteler 289194 Betreuer: Dr. Sven Rakers 07.07.2004.](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062318/55204d6549795902118bb209/html5/thumbnails/82.jpg)
Bisherige Bisherige NachweisversucheNachweisversuche
Das Sage-ExperimentDas Sage-Experiment Mittlere Zählrate gemittelt über 11 Jahre Mittlere Zählrate gemittelt über 11 Jahre
Messzeit:Messzeit:
Der theoretische Wert nach dem Der theoretische Wert nach dem Standard-Sonnen-Model beträgt:Standard-Sonnen-Model beträgt:
5,3 3,7 6,5exp 5,2 3,2 6,170,8 70,8GaR SNU SNU
97128Ga
SSMR SNU
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Das NeutrinoproblemDas NeutrinoproblemNeutrinooszillationNeutrinooszillation
Neutrinooszillation in MaterieNeutrinooszillation in Materie
Asymetrien zwischen Tag und Nacht lassen Asymetrien zwischen Tag und Nacht lassen auf eine veränderte Neutrinooszillation ind auf eine veränderte Neutrinooszillation ind Materie schliessen.Materie schliessen.