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Physik-Nobelpreis 2015 Neutrino-Oszillationen Christian Spiering, Schloss Waldthausen, 10.7.2016.

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1 Physik-Nobelpreis 2015 Neutrino-Oszillationen Christian Spiering, Schloss Waldthausen,

2 NEUTRINOS SIND ÜBERALL

3 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 3 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

4 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 4 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

5 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 5 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

6 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 6 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

7 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 7 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

8 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 8 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

9 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 9 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

10 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 10 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger

11 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 11 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger eV MeV 4-6 MeV MeV GeV Bis über GeV MeV Bis ~100 GeV

12 Urknall (330 /cm³) Sonne ( pro cm²  s) Erdkruste ( pro cm²  s) Kernreaktoren 12 Supernova (Sternkollaps) Teilchen- beschleuniger Erdatmosphäre ( ~1 pro cm²  s) Kosmische Beschleuniger eV MeV 4-6 MeV MeV GeV Bis über GeV MeV Bis ~100 GeV ~5000 pro Sekunde

13 13 Neutrinos in der Musik …

14 Neutrinos in der Musik … und beim Bergsteigen 14

15 Nobelpreise für Neutrinoforschung  1988 L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger “ für die Neutrinostrahl-Methode und die Entdeckung des Myon-Neutrinos”  1995 F. Reines “für die Entdeckung des Neutrinos”  2002 R. Davis, M.Koshiba “für den Nachweis kosmischer Neutrinos”  2015 T. Kajita, A. McDonald “für die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen, woraus folgt, daß Neutrinos eine Masse haben” 15

16  1988 L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger “ für die Neutrinostrahl-Methode und die Entdeckung des Myon-Neutrinos”  1995 F. Reines “für die Entdeckung des Neutrinos”  2002 R. Davis, M.Koshiba “für den Nachweis kosmischer Neutrinos”  2015 T. Kajita, A. McDonald “für die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen, woraus folgt, daß Neutrinos eine Masse haben” 16 Nobelpreise für Neutrinoforschung

17 POSTULAT DES NEUTRINOS DEZEMBER 1930

18 Wolfgang Pauli

19 A 1  A 2 + e - Energieverteilung der Elektronen aus dem  - Zerfall Erwartetes Spektrum Anzahl Energie

20 A 1  A 2 + e - + n Energieverteilung der Elektronen aus dem  - Zerfall Erwartetes Spektrum Anzahl Energie

21 A 1  A 2 + e - + Energieverteilung der Elektronen aus dem  - Zerfall Erwartetes Spektrum Anzahl Energie

22 A 1  A 2 + e - + e Energieverteilung der Elektronen aus dem  - Zerfall Erwartetes Spektrum Anzahl Energie

23 Enrico Fermi entwickelt die Theorie des  -Zerfalls und der schwachen Wechselwirkung

24 „Ich habe etwas Schreckliches getan …“ 1934 Hans Bethe und Rudolf Peierls berechnen, dass die Reaktions- wahrscheinlichkeit von Neutrinos billionenfach geringer sein muss als die von Elektronen. Bei Energien von einigen MeV: Pauli: “Ich habe etwas Schreckliches getan. Ich habe ein Teilchen vorhergesagt, das man niemals entdecken können wird!”

25 Kernreaktoren als Neutrinoquelle Fred Reines Clyde Cowan : Hanford Reaktor 1955: viel stärkerer militärischer Reaktor in Savannah River Fred Reines

26 photo- multipliers scintillator CdCl solved in water Savannah River Experiment 26

27 Savannah River: Entdeckung 1956 Signalfolge einer Neutrinoreaktion: positron neutron Nobelpreis

28 p    Beschleuniger  -Zerfall:    +  Target  -Absorber Bruno Pontecorvo (Dubna) Leon Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger (Brookhaven) Die Entdeckung des Myon-Neutrinos 1962 Nobel-Preis 1988

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30 H Higgs Leptonen e   e   Kraft- Teilchen w Z g  u Quarks b ct ds

31 Raymond Davis: Nachweis von Sonnenneutrinos : Das Homestake-Experiment Tonnen Perchloräthylen

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33 Mögliche Gründe  Experiment falsch ? (d.h. weniger empfindlich als angenommen)  Sonnenmodell falsch ?  Neutrinos machen irgendwas Unerwartetes ? 33

34 Neutrinos Photonen e e 4 H 4 He e+e+ e+e+

35 H. Bethe W. Fowler H  He im Detail

36 H. Bethe W. Fowler H  He im Detail

37 H. Bethe W. Fowler H  He im Detail

38 H. Bethe W. Fowler H  He im Detail

39 Der KAMIOKA-Detektor

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41 e-e- e

42 Mögliche Gründe  Experiment falsch ? (d.h. weniger empfindlich als angenommen)  Sonnenmodell falsch ?  Neutrinos machen irgendwas Unerwartetes ? 42

43 H. Bethe W. Fowler H  He im Detail

44 Die Gallium-Germanium-Detektoren Ab 1990: SAGE (Kaukasus) & GALLEX (Gran Sasso Laboratorium, Italien) (registriert auch Neutrinos aus der pp-Reaktion) Ga 71 Ge

45 Mögliche Gründe  Experiment falsch ? (d.h. weniger empfindlich als angenommen)  Sonnenmodell falsch ?  Neutrinos machen. etwas Unerwartetes ! 45

46 Mögliche Gründe  Experiment falsch ? (d.h. weniger empfindlich als angenommen)  Sonnenmodell falsch ?  Neutrinos machen. etwas Erwartetes ! 46

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48  1958: Pontecorvo diskutiert die Möglichkeit von  anti- Oszillationen  1962: Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata schlagen vor, dass die beobachteten Neutrinozustände (damals: e und µ ) aus „wahren“ Neutrinozuständen ( 1 und 2 ) zusammengesetzt sind

49  Pontecorvo und Gribov: e   Oszillationen  Beschreibung der zeitlichen Entwicklung eines anfänglich „reinen“ e oder µ Zustandes. 1969

50 L Neutrino-Oszillationen

51  = Mischungswinkel,  m² = |m 1 ² - m 2 ²|, E = Energie, L = Wegstrecke L Neutrino-Oszillationen

52  = Mischungswinkel,  m² = |m 1 ² - m 2 ²|, E = Energie, L = Wegstrecke Neutrino-Oszillationen Neutrinos müssen eine Masse haben!

53 Bruno Pontecorvo and Samoil Bilenky Endgültige Formulierung der Theorie der Neutrino-Mischung und Neutrino Oszillation. Neutrino-Oszillationen

54 Materie-Oszillationen (MSW effect) Lincoln Wolfenstein, Stanislav Mikheev and Alexei Smirnov, finden den Mechanismus der Materie-Oszillationen … u.a. auch der „resonanten Oszillationen“ (wenn ein Neutrino eine Region mit einer bestimmten Elektronendichte durchquert, passende Werte von  m and E vorausgesetzt)

55 Sonnen-Neutrinos und der MSW-Effect Elektron-Neutrino Tau-Neutrino Myon-Neutrino

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57 SNO Sudbury Neutrino Observatory, Kanada Gefüllt mit schwerem Wasser Art McDonald

58 Deuterium  e + D  p + p + e  x + D  x + p + n  x + e  x + e

59 p n e p n e p Neutral Current all e   100% 80% 60% 40% 20% 0% Neutrino Flux From the Sun “Charged Current” only e e Neutrino Oszillationen! Deuterium Atoms in SNO Tank from W. Hofmann

60 Δm 2 12 = 7.6· eV 2 θ 12 = 34°

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62 kosmisches Proton ≈15 km π+π+  + e+e+ e   „Atmospherische“ Neutrinos

63 Heisenberg 1936 Instead (of protons and neutrons, C.S.) Pauli's hypothetical 'neutrinos' should contribute substantially to the penetrating radiation. This is because in each shower... neutrinos should be generated which then would lead to the generation of small secondary showers. The cross section for the generation of these secondary showers would likely not be much smaller than cm². Contrary to the low-energy neutrinos from  decay one should be able to detect the energetic neutrinos from cosmic rays via their interactions. Werner Heisenberg Zur Theorie der „Schauer“ in der Höhenstrahlung Zeitschr. f. Physik 101 (1936)

64 1965: Nachweis atmosphärischer Neutrinos Fred Reines, in der East Rand Proprietary Mine/Südafrika 64

65 1980er 65  Zu wenig Myon-Neutrinos von unten?  Widersprüchliche Resultate von.verschiedenen Detektoren  Detektor-Effekte oder. Neutrino-Oszillationen?

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67 Takaaki Kajita, Super-Kamiokande 67  Earth cosmic ray L electron events muon events von unten von oben

68 Takaaki Kajita, Super-Kamiokande 68  Earth cosmic ray L Keine Oszillationen Oszillationen -Zerfall X

69 Sonnen- und Reaktor-Neutrinos: Δm 2 12 = 7.6· eV 2 θ 12 = 34° Atmosphärische Neutrinos und Neutrinos von Beschleunigern: |Δm 2 23 | = 2.4· eV 2 θ 23 = 45° (  7°) Reaktor- und Beschleuniger-Neutrinos: |Δm 2 13 | = 2.4·10 -3 eV 2 θ 13 = 8.5° (  0.3°)

70 e   Log m 2 m1m1 m3m3 m2m2 Wie sind die Neutrinomassen geordnet?  m 2 23 ~ 2.4 x eV 2  m 2 12 ~ 7.6 x eV 2 “Wahrscheinlich” sieht es so aus 70

71 e m t Log m 2 m1m1 m3m3 m2m2 Es könnte aber auch so aussehen: m3m3 m2m2 m1m1 Normale Hierarchie Invertierte Hierarchie 71 Wie sind die Neutrinomassen geordnet?

72 e m t Log m Noch interessanter: die Absolutbeträge der Massen ! eV eV 1 eV m1m1 m3m3 m2m2 So? m1m1 m3m3 m2m2 Oder so? 72

73 IceCube 73 IceTop air shower detector 81 pairs of water Cherenkov tanks IceCube 86 strings including 8 Deep Core strings 60 PMT per string DeepCore 8 closely spaced strings 1450m 2450m 2820m

74 AMANDA IceCube The Amundsen-Scott Station South Pole Station Building Astronomy Sector skiway

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76 Ernie und Bert

77 Ernie Bert 140 × LHC 125 × LHC

78

79 1450m 2450m 2820m 79 IceTop air shower detector 81 pairs of water Cherenkov tanks IceCube

80 m 2450m 2820m IceTop air shower detector 81 pairs of water Cherenkov tanks strings 60 PMT per string DeepCore

81  Absolute Masse der Neutrinos Kosmologie, KATRIN & Co.  Massenhierarchie der Neutrinos ORCA oder PINGU (atmosphärische Neutrinos), JUNO (Kernreaktor), DUNE (Beschleuniger)  CP- Verletzung bei Leptonen? DUNE, Hyper-Kamiokande  Majorana oder Dirac-Neutrino? Experimente zum doppelten Beta-Zerfall (Gerda, ….)

82 Es bleibt spannend Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

83  Zusatzfolien 83

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85 Die Gallium-Germanium-Detektoren Ab 1990: SAGE (Kaukasus) & GALLEX (Gran Sasso Laboratorium, Italien) (registriert auch Neutrinos aus der pp-Reaktion) 85

86 Ga- Ge Cl-Ar Kamioka


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