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Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen DPG-Frühjahrstagung DPG-Frühjahrstagung Heidelberg 6. März 2007 Walter Winter Universität.

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1 Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen DPG-Frühjahrstagung DPG-Frühjahrstagung Heidelberg 6. März 2007 Walter Winter Universität Würzburg TexPoint fonts used in EMF: AA A

2 DPG Frühjahrstagung - W. Winter2 Inhalt Einführung Einführung Drei-Flavor Neutrinooszillationen Drei-Flavor Neutrinooszillationen Auf dem Weg zur Präzisionsmessung Auf dem Weg zur Präzisionsmessung Wofür sind diese Messungen gut? Wofür sind diese Messungen gut? Erweiterte Quark-Lepton- Komplementarität Erweiterte Quark-Lepton- Komplementarität Implikationen für 0 -Zerfall Implikationen für 0 -Zerfall Zusammenfassung Zusammenfassung

3 DPG Frühjahrstagung - W. Winter3 Das Geheimnis der fehlenden Neutrinos Vorhergesagte Elektron- Neutrinorate aus der Sonne (John Bahcall) passte nicht zur Beobachtung (Ray Davis Jr.). Vorhergesagte Elektron- Neutrinorate aus der Sonne (John Bahcall) passte nicht zur Beobachtung (Ray Davis Jr.). Verschwinden die Neutrinos? Oder war das Modell falsch? (1960er bis 90er) Verschwinden die Neutrinos? Oder war das Modell falsch? (1960er bis 90er) Rate der Neutrinos von unten und oben kommend sollte gleich sein Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Hinweis auf einen Flavor-Übergang! (Super-Kamiokande: Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos, 1998)

4 DPG Frühjahrstagung - W. Winter4 Wohin sind die Neutrinos verschwunden? Für massive Neutrinos, die mischen: oszillieren: oszillieren: Amplitude Frequenz Baseline: Quelle - Detektor Energie (Pontecorvo, 1957; Maki, Nakagawa, Sakata, 1962) EZ schwache WWEZ Masse

5 DPG Frühjahrstagung - W. Winter5 Neutrinomischung mit drei Flavors ( ) ( ) ( ) =xx Drei Mischungswinkel, eine CP-Phase CP Drei Mischungswinkel, eine CP-Phase CP Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos, aber kein Einfluss auf Oszillationen Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos, aber kein Einfluss auf Oszillationen (s ij = sin ij c ij = cos ij )

6 DPG Frühjahrstagung - W. Winter6 Neutrinomassen Zwei unabhängige Massenquadratdifferenzen relevant für Oszillationen: | m 21 2 | << | m 31 2 | Zwei unabhängige Massenquadratdifferenzen relevant für Oszillationen: | m 21 2 | << | m 31 2 | Massenspektren: Hierarchisch oder entartet? Massenspektren: Hierarchisch oder entartet? Massenhierarchie: Normal oder invertiert? Massenhierarchie: Normal oder invertiert? Dirac- oder Majorana-Masse? Dirac- oder Majorana-Masse?

7 DPG Frühjahrstagung - W. Winter7 Drei-Flavor-Neutrinooszillationen Kopplungsstärke: 13 Atmosphärische Oszillationen: Amplitude: 23 Frequenz: m 31 2 Solare Oszillationen: Amplitude: 12 Frequenz: m 21 2 Unterdrückter Effekt: CP CP-Verletzung ist Voraussetzung für Baryogenese (Materie-Antimaterie-Asymmetrie) Ist dieser Parameter der Schlüssel? Nur obere Grenze bisher! Ohne 13, keine CP-Verletzung messbar und Anordnung der Massen sehr schwer zugänglich (sgn( m 31 2 )) (Super-K, 1998; Chooz, 1999; SNO ; KamLAND 2002)

8 DPG Frühjahrstagung - W. Winter8 Auf dem Weg zur Präzisionsmessung: Neutrino Beams Künstliche Quelle: Beschleuniger (o. Reaktor) Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte, Systematik) Ferndetektor Baseline: L ~ E/ m 2 (Osz.- länge) ?

9 DPG Frühjahrstagung - W. Winter9 In Betrieb: MINOS Messung der atmosphärischen Parameter mit hoher Präzision Messung der atmosphärischen Parameter mit hoher Präzision Flavor-Konversion ? Flavor-Konversion ? Fermilab - Soudan L ~ 735 km Ferndetektor: 5400 t Nahdetektor: 980 t 735 km Beam line

10 DPG Frühjahrstagung - W. Winter10 Die Jagd nach 13 Beispielszenario; Bänder repräsentieren unbekanntes CP Beispielszenario; Bänder repräsentieren unbekanntes CP Neue Generation von Experimenten dominiert sehr schnell! Neue Generation von Experimenten dominiert sehr schnell! Neutrinofabrik: Reichweite sin ~ (=Oszillationsamplitude) Neutrinofabrik: Reichweite sin ~ (=Oszillationsamplitude) (aus: FNAL Proton Driver Study; Fig. von Brice, Geer, Harris, Winter, 2005) GLoBES 2005

11 DPG Frühjahrstagung - W. Winter11 Appearance-Kanäle: e Kompliziert, enthält aber alle relevanten Informationen: 13, CP, Massenhierarchie (via A) Kompliziert, enthält aber alle relevanten Informationen: 13, CP, Massenhierarchie (via A) (Cervera et al. 2000; Freund, 2001; Akhmedov et al., 2004)

12 DPG Frühjahrstagung - W. Winter12 Probleme mit entarteten Lösungen Zusammenhängende (grün) oder nicht- zusammenhängende (gelb) entartete Lösungen (best. confidence level) im Parameterraum Zusammenhängende (grün) oder nicht- zusammenhängende (gelb) entartete Lösungen (best. confidence level) im Parameterraum Beeinträchtigen Messungen Beispiel: 13 -Sensitivität Beeinträchtigen Messungen Beispiel: 13 -Sensitivität (Huber, Lindner, Winter, 2002) Diskrete Entartungen: (, 13 )-Entartung (Burguet-Castell et al, 2001) sgn-Entartung (Minakata, Nunokawa, 2001) ( 23, /2- 23 )-Entartung (Fogli, Lisi, 1996) Diskrete Entartungen: (, 13 )-Entartung (Burguet-Castell et al, 2001) sgn-Entartung (Minakata, Nunokawa, 2001) ( 23, /2- 23 )-Entartung (Fogli, Lisi, 1996)

13 DPG Frühjahrstagung - W. Winter13 Auf dem Weg zur Präzisionsmessung … durch Auflösen der entarteten Lösungen Beispiel: Magic baseline und Neutrinofabrik: Beispiel: Magic baseline und Neutrinofabrik: L= ~ 3000 km (CP) + ~7500 km (Entartungen) heute Standardkonfiguration einer Neutrinofabrik (ISS-Studie, 2006) L= ~ 3000 km (CP) + ~7500 km (Entartungen) heute Standardkonfiguration einer Neutrinofabrik (ISS-Studie, 2006) (Huber, Winter, 2003)

14 DPG Frühjahrstagung - W. Winter14 Warum diese Messungen? Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc. Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc. Vorhersagen für 13, 23 - /4, Massenhierarchie, etc. Vorhersagen für 13, 23 - /4, Massenhierarchie, etc. Beispiel: Literaturrecherche für 13 Beispiel: Literaturrecherche für 13 (Albright, Chen, 2006) Peak generisch oder voreingenommen? Experimente liefern wichtige Hinweise für Theorie

15 DPG Frühjahrstagung - W. Winter15 Der Traum von der großen Vereinheitlichung Phänomenologischer Hinweis z. B. (Quark-Lepton- Komplementarität - QLC) Phänomenologischer Hinweis z. B. (Quark-Lepton- Komplementarität - QLC) Gibt es eine Größe ~ C, die alle Mischungen und Hierarchien erklären kann? Gibt es eine Größe ~ C, die alle Mischungen und Hierarchien erklären kann? Überbleibsel der GUT Überbleibsel der GUT Lepton- Sektor Quark- Sektor Symmetrie- brechung(en) E GUT (Petcov, Smirnov, 1993; Smirnov, 2004; Raidal, 2004; Minakata, Smirnov, 2004)

16 DPG Frühjahrstagung - W. Winter16 Manifestation von Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen: m u :m c :m t = 4 : 3 :1, m d :m s :m b = 4 : 2 :1, m e :m :m = 4 : 2 :1 Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen: m u :m c :m t = 4 : 3 :1, m d :m s :m b = 4 : 2 :1, m e :m :m = 4 : 2 :1 Neutrinomassen: m 1 :m 2 :m 3 ~ 2 : :1, 1:1: oder 1:1:1 Neutrinomassen: m 1 :m 2 :m 3 ~ 2 : :1, 1:1: oder 1:1:1 Mischungen Mischungen V CKM ~ U PMNS ~ V CKM + U bimax ? Kombination aus und max. Mischungen?

17 DPG Frühjahrstagung - W. Winter17 Erweiterte Quark-Lepton-Komplementarität 1. Generiere alle möglichen (reellen) U l, U mit Mischungswinkeln( ) 2. Berechne U PMNS und lese Mischungswinkel ab; selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten (2.468) Keine Diagonalisierung notwendig! Keine Diagonalisierung notwendig! Geladene Leptonen- Massenterme Eff. Neutrino- Massenterme vgl. gel. Strom im WW-Lagrangian Rotiert links- händige Felder

18 DPG Frühjahrstagung - W. Winter18 Vorhersagen aus erweiterter QLC Generische Vorhersagen für Mischungswinkel Generische Vorhersagen für Mischungswinkel Im Vergleich zur GUT-Literatur: Kein Peak bei sin ~ 0.04, Einige Modelle mit kleinen sin ~ Im Vergleich zur GUT-Literatur: Kein Peak bei sin ~ 0.04, Einige Modelle mit kleinen sin ~ (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) MADE IN WÜRZBURG

19 DPG Frühjahrstagung - W. Winter19 Textur-Kombinationen aus erw. QLC Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen- Schemata). Beispiel: Diamanten -Texturen mit neuen Summenregeln, z. B. Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen- Schemata). Beispiel: Diamanten -Texturen mit neuen Summenregeln, z. B. (Plentinger, Seidl, Winter, 2006)

20 DPG Frühjahrstagung - W. Winter20 Dirac- oder Majorana-Massenterme? Dirac- oder Majorana-Massenterme? 0 -Zerfall: Testet Majorana-Eigenschaft 0 -Zerfall: Testet Majorana-Eigenschaft Rate ~ Kernphysik x |m ee | Rate ~ Kernphysik x |m ee | Ist das sein eigenes Antiteilchen? (Heidelberg-Moscow, COBRA, EXO, NEMO, Gotthart, Majorana, etc.)

21 DPG Frühjahrstagung - W. Winter21 Komplementarität 0 /Long-Baseline Momentan relativ großer Bereich theoretisch erlaubt Momentan relativ großer Bereich theoretisch erlaubt Insbesondere verschwindende Rate erlaubt ( m 31 2 >0) Insbesondere verschwindende Rate erlaubt ( m 31 2 >0) Synergien mit LBL: z. B. m 31 2 NOvA + Stärkerer 0 -Bound = Dirac-Massenterme Synergien mit LBL: z. B. m 31 2 NOvA + Stärkerer 0 -Bound = Dirac-Massenterme Leichteste Neutrinomasse 0 -Zerfallsrate

22 DPG Frühjahrstagung - W. Winter22 0 -Zerfall und erweiterte QLC Verschwin- dene 0 - Rate benötigt Fine-tuning von Phasen Verschwin- dene 0 - Rate benötigt Fine-tuning von Phasen Unwahrscheinlich für konkrete Modelle Beispiel: Erweiterte QLC (+ gleichvert. Dirac-like Phasen) Unwahrscheinlich für konkrete Modelle Beispiel: Erweiterte QLC (+ gleichvert. Dirac-like Phasen) |m ee | > eV für 99% (Plentinger, Seidl, Winter, 2006)

23 DPG Frühjahrstagung - W. Winter23 See-saw zur Erklärung der winzigen Neutrinomasse See-saw zur Erklärung der winzigen Neutrinomasse Kombinatorischer Test von See-Saw-Realisierungen: Teste ~ 3 Billionen Fälle (~ 2 Monate Rechenzeit) Kombinatorischer Test von See-Saw-Realisierungen: Teste ~ 3 Billionen Fälle (~ 2 Monate Rechenzeit) Spezialfälle: Spezialfälle: In der Literatur sind die meisten Fälle nicht berücksichtigt! In der Literatur sind die meisten Fälle nicht berücksichtigt! Ausblick: See-Saw-Realisierungen? (M D, M R, M eff i.A. 3x3-Matrizen!) (Plentinger, Seidl, Winter, in Vorbereitung) Mehr von Gerhart Seidl am am DESY! VORLÄUFIG!

24 DPG Frühjahrstagung - W. Winter24 Zusammenfassung Neutrinophysik auf dem Weg zur Präzisionsphysik Neutrinophysik auf dem Weg zur Präzisionsphysik Die gemessenen Parameter geben wichtige Hinweise auf zugrundliegende Theorien Die gemessenen Parameter geben wichtige Hinweise auf zugrundliegende Theorien Performance-Indikatoren für Modelle z. B. 13, Massenhierarchie, 23 - /4, |m ee |, … Performance-Indikatoren für Modelle z. B. 13, Massenhierarchie, 23 - /4, |m ee |, … Unter generischen Annahmen wird in den nächsten Jahren der Druck auf den Modellbau erheblich wachsen Unter generischen Annahmen wird in den nächsten Jahren der Druck auf den Modellbau erheblich wachsen


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