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Vortrag zum Seminar Neutrinophysik SS2005 SOLARE NEUTRINOS von Daniel Bothner.

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Präsentation zum Thema: "Vortrag zum Seminar Neutrinophysik SS2005 SOLARE NEUTRINOS von Daniel Bothner."—  Präsentation transkript:

1 Vortrag zum Seminar Neutrinophysik SS2005 SOLARE NEUTRINOS von Daniel Bothner

2 Inhalt 1Entstehungsprozesse 2Frühe Experimente 3Erklärungsmodelle 4Neuere Experimente 5Zusammenfassung

3 Entstehungsprozesse - Bilanzgleichung _______________________________________________________________ Sonne gewinnt ihre Energie durch Kernfusion Bilanzgleichung: Durch zwei Prozesse realisiert: - pp-Zyklus(ca. 98,4% der Energie) - CNO-Zyklus (ca. 1,6% der Energie)

4 Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus _______________________________________________________________ p + p d + e + + e p + p + e _ d + e d + p 3 He + 7 Li + p 4 He + 4 He 8 Be 4 He + 4 He 8 B 8 Be + e + + e 7 Be + e _ 7 Li + e 3 He + 4 He 7 Be + 7 Be + p 8 B + 3 He + 3 He 4 He + 2p pep, 0,25% pp, 99,75% hep, 0,000024% ppII, 14% ppI, 86% 3 He + p 4 He + e + + e ppIII, 0,003%

5 Entstehungsprozesse – Der CNO-Zyklus _______________________________________________________________

6 Entstehungsprozesse – Standard-Sonnenmodelle _______________________________________________________________ Standardsonnenmodelle basieren auf vier Grundannahmen - Hydrostatisches Gleichgewicht - Energietransport durch Strahlung oder Konvektion - Energieerzeugung durch Kernreaktionen - Anfangszusammensetzung wie heutige Photosphärenhäufigkeiten Dazu kommen weitere Eingabegrößen wie - Alter der Sonne, Leuchtkraft, Opazität - Wirkungsquerschnitte der Kernreaktionen Erwartetes Neutrinospektrum bzw. Neutrinoflüsse lassen sich daraus bestimmen

7 Entstehungsprozesse – Das Spektrum _______________________________________________________________

8 Dies ergibt für die benötigte Anzahl von Targetatomen: Zweckmäßig wird neue Einheit definiert: Entstehungsprozesse – Erwartungen _______________________________________________________________ Erwartete Flüsse in der Größenordnung: ABER: Wirkungsquerschnitt nur ca.:

9 Seit 1968 von R. Davis 615t Perchlorethylen Häufigkeit von ca. 24% Einfang von Neutrinos an 37 Cl 37 Cl + e 37 Ar + e _ Nachweis des radioaktiven 37 Ar 37 Ar + e _ 37 Cl + e (T 1/2 = 35 d) Schwellenenergie: 0,814 MeV Misst Frühe Experimente - Homestake _______________________________________________________________

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13 Kamioka Neutrino Detection Experiment seit 1986 Echtzeit-Cherenkov-Detektor 3000t (680t) Wasser mit 948 Photomultipliern (20% Oberfläche) Neutrino-Elektron-Streuung Nur -Neutrinos, da Schwellenenergie: 7,5MeV Frühe Experimente - Kamiokande _______________________________________________________________

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15 Ergebnisse:- Neutrinos kommen tatsächlich von der Sonne -

16 3 Experimente seit 1991 Einfang von Neutrinos an 71 Ga + e 71 Ge + e _ Nachweis des radioaktiven 71 Ge + e _ 71 Ga + e (T 1/2 = 11,4 d) Schwellenenergie: 233 keV Erste Experimente, die auch pp-Neutrinos messen können Frühe Experimente – Gallium-Experimente _______________________________________________________________

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18 Gallium Experiment und Gallium Neutrino Observatory 110t -Lösung im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Frühe Experimente – GALLEX und GNO _______________________________________________________________

19 Frühe Experimente - SAGE _______________________________________________________________ Soviet-American Gallium Experiment 60t Gallium in metallischer Form Im Baksan- Untergrundlabor im Kaukasus

20 Frühe Experimente - Ergebnisse _______________________________________________________________

21 Erklärungsmodelle - Ansätze _______________________________________________________________ pp-Neutrinos dürfen nicht wesentlich angetastet werden, da deren Erzeugungsrate eng mit beobachtbarer Leuchtkraft gekoppelt Senkung der Zentraltemperatur der Sonne - niedrigerer Metallgehalt, somit niedrigere Opazität - hohe Rotationsgeschwindigkeit des Kerns - Kosmionen (WIMPs), die zum Energietransport beitragen Änderung der Wirkungsquerschnitte für Kernreaktionen - diese sind nur aus Beschleunigerexperimenten (mit viel höheren Energien) für die Sonne herabextrapoliert Magnetisches Moment der Neutrinos - linkshändige Neutrinos durch das Magnetfeld der Sonne in rechtshändige sterile umgewandelt

22 Erklärungsmodelle – Ansätze _______________________________________________________________ Probleme: Keines der Alternativ-Modelle scheint geeignet Helioseismologie bestätigt Standardsonnenmodell

23 Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus _______________________________________________________________ p + p d + e + + e p + p + e _ d + e d + p 3 He + 7 Li + p 4 He + 4 He 8 Be 4 He + 4 He 8 B 8 Be + e + + e 7 Be + e _ 7 Li + e 3 He + 4 He 7 Be + 7 Be + p 8 B + 3 He + 3 He 4 He + 2p pep, 0,25% pp, 99,75% hep, 0,000024% ppII, 14% ppI, 86% 3 He + p 4 He + e + + e ppIII, 0,003%

24 Erklärungsmodelle – Ansätze _______________________________________________________________

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26 Erklärungsmodelle – Neutrino-Oszillationen _______________________________________________________________ Annahme: Flavoureigenzustände Masseneigenzustände Phänomen von Quarks bekannt Zwingende Voraussetzung für Oszillationen:

27 Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt _______________________________________________________________ Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein-Effekt: Unterschiedliche Wechselwirkung der Neutrinoflavours in Materie, Elektronen führen zu zusätzlichem Potential für Elektron-Neutrinos Bei langsamer Dichteänderung am Resonanzpunkt: Modifizierter Mischungswinkel:

28 Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt _______________________________________________________________ e Unterdrückung 7 Be-

29 Neuere Experimente - Superkamiokande _______________________________________________________________ Super Kamioka Neutrino Detection Experiment seit t (22000t) Wasser mit Photomultipliern (40% Oberflächenabdeckung) Durch die Größe bessere Statistik möglich Somit Schwellenenergie nur noch 5MeV Misst nur -Neutrinos

30 Neuere Experimente - Superkamiokande _______________________________________________________________ Bestätigt die Ergebnisse von Kamiokande Defizit sogar noch größer

31 Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ Sudbury Neutrino Observatory seit t schweres Wasser mit 9800 Photomultipliern 7500t reines Wasser zur Abschirmung

32 Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ Erstmals Bestimmung des totalen Neutrinoflusses möglich Schwellenenergie: 5MeV also auch nur -Neutrinos Erstmals direkte Untergrundbestimmung möglich durch Wassertausch

33 Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ Ergebnisse: DAS SOLARE NEUTRINOPROBLEM SCHEINT GELÖST

34 Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ LMA-Neutrinooszillationen (MSW-Effekt) bestätigt mit

35 Neuere Experimente - KamLAND _______________________________________________________________ Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector seit t Flüssigszintillator mit 2000 Photomultipliern Misst Antielektron-Neutrinos aus Reaktoren über Schwellenenergie: 1,8MeV

36 Neuere Experimente - KamLAND _______________________________________________________________ Ziel: Verifizierung der LMA-Lösung aus solaren Experimenten Mittlere Reaktorentfernung: 180km Vakuumoszillationslänge der 5MeV Neutrinos mit LMA-Parametern: Test möglich!

37 Neuere Experimente - KamLAND _______________________________________________________________ L 0 =180 km KamLAND bestätigt LMA-Lösung Wichtiges Ergebnis: Disappearance bestätigt Zerfall/Dekohärenz der Neutrinos ausgeschlossen Erstmals Reappearance bestätigt

38 Neuere Experimente - Ergebnisse _______________________________________________________________

39 Neutrinos entstehen in der Sonne durch pp- und CNO-Zyklus Spektrum durch SSM berechenbar Erste Experimente (Homestake, Kamiokande, Gallium-Experimente) zeigten Defizit Viele Erklärungsmodelle nicht zutreffend Neutrino-Oszillationen und MSW-Effekt vorgeschlagen Neuere Experimente (Super-K, SNO, KamLAND) bestätigen Neutrino-Oszillationen und LMA-Lösung Zusammenfassung _______________________________________________________________


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