Sonne und Neutrinos Physikalisches Proseminar (SS 08) Johann Walter Universität Bielefeld 25.06.2008.

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1 Sonne und Neutrinos Physikalisches Proseminar (SS 08) Johann Walter Universität Bielefeld 25.06.2008

2 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 2 Inhalt Historischer Einstieg Warum sind Neutrinos interessant? Solare Neutrinos Detektion solarer Neutrinos Neutrinooszillationen, neuere Experimente

3 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 3 Historischer Einstieg Beta-Zerfall (historisch): verletzt Energieerhaltung verletzt Impulserhaltung verletzt Drehimpulserhaltung

4 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 4 Historischer Einstieg Lösung für ß - -Zerfall: analog für ß + -Zerfall: Eigenschaften des sog. Neutrinos (ital.: kleines Neutron): elektrische Ladung: 0 Spin: ½ Masse ist (fast?) Null neue Erhaltungsgröße mit Leptonenzahl ±1 Erster Nachweis 1956 (C. Cowan, F. Reines)

5 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 5 Was macht Neutrinos interessant? Neutrinos unterliegen nur der schwachen WW (und der Gravitation) Interesse der Astronomie: Neutrinos entstehen bei Kernprozessen (Sterne, Supernovae) und Teilchen-WW (atmosphärische Streuprozesse, kosmische Beschleuniger) keine Ablenkung, somit direkte Boten der Ereignisse

6 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 6 Spektrum der solaren Neutrinos 3 grobe Klassen von Neutrinos 85% unter 422keV (pp-Neutrinos) ~15% durch Zerfall von 7 Be ~0,015% hochenergetische Neutrinos bis 14MeV durch Zerfall von 8 B

7 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 7 Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 1. Nachweis solarer Neutrinos Ende der 60er durch Ray Davis (Nobelpreis 2002) basiert auf der Reaktion: Nachweisschwelle: E ν 814 keV Homestake-Mine, Minnesota wenige (<10) Ereignisse pro Tag!

8 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 8 Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 1. Nachweis solarer Neutrinos Ende der 60er durch Ray Davis (Nobelpreis 2002) basiert auf der Reaktion: Nachweisschwelle: E ν 814 keV Homestake-Mine, Minnesota wenige (<10) Ereignisse pro Tag! Ergebnis des Experimentes: Nur ca. ein Drittel des erwarteten Neutrinoflusses konnte registriert werden!

9 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 9 Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch GALLEX (Italien, Gran-Sasso- Tunnel) und SAGE (Kaukasus), 80er Jahre ähnliche Reaktion: Nachweisschwelle: E v 234 keV (auch pp-N. werden erfasst)

10 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 10 Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch GALLEX (Italien, Gran-Sasso- Tunnel, 80er) und SAGE (Kaukasus) ähnliche Reaktion: Nachweisschwelle: E v 234 keV (auch pp-N. werden erfasst) Ergebnis: Auch hier wurden nur ca. 60% der erwarteten solaren Neutrinos beobachtet!

11 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 11 Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch GALLEX (Italien, Gran-Sasso- Tunnel, 80er) und SAGE (Kaukasus) ähnliche Reaktion: Nachweisschwelle: E v 234 keV (auch pp-N. werden erfasst) Ergebnis: Auch hier wurden nur ca. 60% der erwarteten solaren Neutrinos beobachtet! solares Neutrinodefizit

12 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 12 Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch GALLEX (Italien, Gran-Sasso- Tunnel, 80er) und SAGE (Kaukasus) ähnliche Reaktion: Nachweisschwelle: E v 234 keV (auch pp-N. werden erfasst) Ergebnis: Auch hier wurden nur ca. 60% der erwarteten solaren Neutrinos beobachtet! solares Neutrinodefizit mögliche Lösung: Neutrinooszillationen (Neutrinos mit m>0)

13 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 13 Neuere Experimente Sudbury Neutrino Observatory (SNO), Kanada 1000 t schweres Wasser (D 2 O) 10.000 Photomultiplier 18 m Durchmesser E v 5 MeV

14 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 14 Neuere Experimente Super Kamiokande (SK), Japan 50.000 t reines Wasser (H 2 O) 11.420 Photomultiplier E v 5 MeV

15 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 15 Funktionsweise von SNO und SK Charged Current (nur SNO): nur für v e möglich e - trägt den Großteil der Energie Gute Information über spektrale Verteilung der v

16 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 16 Funktionsweise von SNO und SK Charged Current (nur SNO): nur für v e möglich e - trägt den Großteil der Energie Gute Information über spektrale Verteilung der v Neutral Current (nur SNO): für alle Neutrinosorten (v x ) möglich

17 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 17 Funktionsweise von SNO und SK Charged Current (nur SNO): nur für v e möglich e - trägt den Großteil der Energie Gute Information über spektrale Verteilung der v Neutral Current (nur SNO): für alle Neutrinosorten (v x ) möglich Elastischer Stoß: Wenig Aussage über Spektrum, aber gute Information über Richtung der v

18 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 18 Ergebnisse von SNO und SK SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an v e ein Drittel v e : 1,76Mio (cm s) -1 zwei Drittel v µ und v τ : 3,41Mio (cm s)-1 für E v 5 MeV

19 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 19 Ergebnisse von SNO und SK SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an v e ein Drittel v e : 1,76Mio (cm s) -1 zwei Drittel v µ und v τ : 3,41Mio (cm s)-1 für E v 5 MeV SK: Nachweis der Neutrinooszillation durch Messung atmosphärischer Neutrinos (Richtung der einfallenden Neutrinos spielt eine Rolle)

20 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 20 Ergebnisse von SNO und SK SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an v e ein Drittel v e : 1,76Mio (cm s) -1 zwei Drittel v µ und v τ : 3,41Mio (cm s)-1 für E v 5 MeV SK: Nachweis der Neutrinooszillation durch Messung atmosphärischer Neutrinos (Richtung der einfallenden Neutrinos spielt eine Rolle) Detektion von 10+ Neutrinos innerhalb weniger Sekunden wenige Stunden, bevor SN1987A sichtbar wurde

21 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 21 Ergebnisse von SNO und SK SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an v e ein Drittel v e : 1,76Mio (cm s) -1 zwei Drittel v µ und v τ : 3,41Mio (cm s) -1 für E v 5 MeV SK: Nachweis der Neutrinooszillation durch Messung atmosphärischer Neutrinos (Richtung der einfallenden Neutrinos spielt eine Rolle) Detektion von 10+ Neutrinos innerhalb weniger Sekunden wenige Stunden, bevor SN1987A sichtbar wurde Nachweis von Tag-Nacht-Schwankungen, bzw. jahreszeitlichen Schwankungen der gemessenen Neutrinoverteilungen.

22 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 22 Quellen Die Welt der Elementarteilchen, K. Ford Atome, Kerne, Elementarteilchen - Schwache Wechselwirkung und Neutrinos, Prof. Dr. Helmut Faissner Proseminar HP Literaturvorlagen www.astroteilchenphysik.de www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index1.html (SK homepage) www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index1.html www.sno.phy.queensu.ca/sno/ (SNO homepage) www.sno.phy.queensu.ca/sno/

23 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

24 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 24 SK-Bilder 481MeV v µ -> 394MeV µ - -> 52MeV e - 1063MeV v + p -> 1032 Myon

25 25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter 25 SK-Bilder durchfliegendes Myon