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Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinophysik: Aktueller Stand und neue Experimente Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik.

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Präsentation zum Thema: "Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinophysik: Aktueller Stand und neue Experimente Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik."—  Präsentation transkript:

1 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinophysik: Aktueller Stand und neue Experimente Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik Universität Hamburg

2 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinophysik in unserer Gruppe I: Beteiligung am Neutrinooszillationsexperiment OPERA im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Detektortechnologie: Opera: Hochauflösende Emulsionen Hamburger Beitrag zu Opera: Muonspektrometer aus Driftröhren

3 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinophysik in unserer Gruppe II: Tests und Vorstudien, eventuell Beteiligung am Reaktorneutrino-Oszillationsexperiment Double-CHOOZ Detektortechnologie: Flüssigszintillator und Photomultiplier θ 13 ?

4 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Stand der Neutrinophysik: Neutrinooszillationen wurden in zwei Bereichen nachgewiesen: Solare Neutrinos und Reaktorneutrinos v e v μ mit Δm 2 8·10 -5 eV 2 Atmosphärische Neutrinos und Beschleunigerneutrinos v μ v τ mit Δm 2 2·10 -3 eV 2 Neutrinooszillationen wurden in zwei Bereichen nachgewiesen: Solare Neutrinos und Reaktorneutrinos v e v μ mit Δm 2 8·10 -5 eV 2 Atmosphärische Neutrinos und Beschleunigerneutrinos v μ v τ mit Δm 2 2·10 -3 eV 2 Neutrinos besitzen Masse! M leichtestes v < 2eV

5 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinomassen und Neutrinomischung Neutrinomischung! PMNS Neutrinomischungsmatrix 3 massive Neutrinos: ν 1, ν 2, ν 3 mit Massen: m 1,m 2,m 3 Flavor-Eigenzustände Massen-Eigenzustände vgl. im Quarksektor: CKM-Matrix

6 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors) Überlebenswahrscheinlichkeit: L in L osz mit Neutrinooszillationen misst man: Massendifferenzen und Mischungswinkel

7 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Neutrino Mischung: Parametrisierung Solare und Reaktor-Exp. θ 12 : 29 o - 39 o Θ 23 : 34 o - 58 o Atmosphärisch und Beschleuniger θ 13, δ ?? unbekannt ! Falls Majorana-Neutrino: 2 zusätzliche CP-Phasen Falls Majorana-Neutrino: 2 zusätzliche CP-Phasen Unterschied zu Quarks: Zwei Winkel sind fast maximal! Bedeutung?

8 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Das OPERA Experiment Ziel: Direkter Nachweis der Tau-Neutrinos in v μ v τ Oszillationen mit Δm 2 2·10 -3 eV 2 –Bei atmosphärischen Neutrinooszillationen und bei Oszillationen von Beschleunigerneutrinos wurde bisher nur das Verschwinden von Muon-Neutrinos beobachtet –Muon-Neutrinos: CERN Neutrinostrahl –Tau-Neutrinos: Nachweis mit OPERA Detektor im Gran Sasso Labor Ziel: Direkter Nachweis der Tau-Neutrinos in v μ v τ Oszillationen mit Δm 2 2·10 -3 eV 2 –Bei atmosphärischen Neutrinooszillationen und bei Oszillationen von Beschleunigerneutrinos wurde bisher nur das Verschwinden von Muon-Neutrinos beobachtet –Muon-Neutrinos: CERN Neutrinostrahl –Tau-Neutrinos: Nachweis mit OPERA Detektor im Gran Sasso Labor Start: 2006

9 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Der Neutrinostrahl am CERN

10 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Der Neutrinostrahl am CERN

11 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Der CNGS Neutrinostrahl Cern zum Gran Sasso: 732km, = 17GeV

12 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) 150 km von Rom Neutrinos vom CERN Rom Autostrada Teramo Halle C: Borexino und Opera

13 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Nachweis der Tau-Neutrinos τ Herausforderung: Nur ca. 10 v τ Ereignisse in 5 Jahren!

14 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Wechselwirkung von Myon-Neutrinos Myon-Neutrino Myon Hadronen Kern

15 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Wie unterscheidet man Tau-Neutrinos? Tau-Neutrino Tauon Hadronen Kern Tauon zerfällt τ = 300ps Nur ca. 0.6mm

16 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik OPERA: Emulsions-Technik

17 Emulsion simulation

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23 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik OPERA: Emulsion

24 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Beitrag der Uni Hamburg: Muon Spektrometer

25 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Uni Hamburg: Muon Spektrometer 1 Modul aus 8m langen Driftröhren Teststand für Prototyp

26 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Möglichkeiten für Diplomarbeiten: Charakterisierung der Driftröhreneigenschaften, insbesondere Ortsauflösung Spurrekonstruktion am Opera-Muonspektrometer (Teststände und Opera-Detektor) Entwicklung eines Monitorsystems für das Opera-Muonspektrometer Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Produktion der Driftröhren Dazu auch Möglichkeiten: MC Simulation der Neutrino WW im Opera-Detektor Untersuchung des Charm Untergrundes Charakterisierung der Driftröhreneigenschaften, insbesondere Ortsauflösung Spurrekonstruktion am Opera-Muonspektrometer (Teststände und Opera-Detektor) Entwicklung eines Monitorsystems für das Opera-Muonspektrometer Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Produktion der Driftröhren Dazu auch Möglichkeiten: MC Simulation der Neutrino WW im Opera-Detektor Untersuchung des Charm Untergrundes

27 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Das Double-CHOOZ Experiment Ziel: Messung des bisher noch unbekannten Neutrinomischungswinkels θ 13 –Bisher nur bekannt: sin 2 2θ 13 < 0.2 (90%CL) vom CHOOZ Experiment –Methode: Suche nach dem Verschwinden von Reaktorantineutrinos in ca. 1km Entfernung vom Reaktor. Messung des Neutrinoflusses mit identischem Detektor bei ca m Entfernung vom Reaktor Ziel: Messung des bisher noch unbekannten Neutrinomischungswinkels θ 13 –Bisher nur bekannt: sin 2 2θ 13 < 0.2 (90%CL) vom CHOOZ Experiment –Methode: Suche nach dem Verschwinden von Reaktorantineutrinos in ca. 1km Entfernung vom Reaktor. Messung des Neutrinoflusses mit identischem Detektor bei ca m Entfernung vom Reaktor

28 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Wie kann man θ 13 messen? Reactor experiments clean measurement of θ 13 with D 1 = 100 m D 2 = 1 km e e,, Damit ist Verbesserung auf: sin 2 2θ (90%CL) möglich

29 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Near site: D~ m, overburden mwe Far site: D~1.1 km, overburden 300 mwe TypePWR Cores2 Power8.4 GW th Couplage1996/1997 (%, in to 2000)66, 57 ConstructeurFramatome OpérateurEDF Chooz-Far Chooz-Near Double CHOOZ Th. Lasserre m 1050 m 12.7 m 3

30 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Nachweis der Reaktor-Antineutrinos E v > 1.8 MeV promptes Ereignis: E v – 0.77 MeV 200μsec verzögertes Ereignis: n-Einfang an Gd dabei 8MeV γ -Emission

31 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Detektor bei 1.05 km Non-scintillating buffer: scintillateur+quencher DMP (r+0.95m,, V=100 m 3 ) -catcher: 80% dodécane + 20% PXE (r+0,6m – V= 28,1 m 3 ) 7 m - target: 80% dodécane + 20% PXE + 0.1% Gd (r=1,2m, h = 2,8m, 12,7 m 3 ) Th. Lasserre Halle existiert schon

32 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Double-CHOOZ Programm: Im Moment Proto-Kollaboration Finanzierung in Frankreich, Deutschland, Italien, USA? Falls erfolgreich, Start ca Interesse von mehreren deutschen Universitäten und Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg Interessante Möglichleit der Reaktorüberwachung (IAEA) Im Moment Proto-Kollaboration Finanzierung in Frankreich, Deutschland, Italien, USA? Falls erfolgreich, Start ca Interesse von mehreren deutschen Universitäten und Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg Interessante Möglichleit der Reaktorüberwachung (IAEA)

33 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Möglichleiten für Diplomarbeit: Aufbau eines Teststandes für den Gd-geladenen Szintillator und Photomultiplier Studien zum Untergrund beim Double-CHOOZ Experimentes Entwicklung eines Kalibrationssystems für den DCHOOZ Detektor Studien zur Bestimmung von θ 13 und CP-Verletzung in Neutrinooszillationsexperimenten Aufbau eines Teststandes für den Gd-geladenen Szintillator und Photomultiplier Studien zum Untergrund beim Double-CHOOZ Experimentes Entwicklung eines Kalibrationssystems für den DCHOOZ Detektor Studien zur Bestimmung von θ 13 und CP-Verletzung in Neutrinooszillationsexperimenten

34 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik Ausblick Offene Fragen in der Neutrinophysik: Wie groß ist die Masse des leichtesten Neutrinos? (Trtium-β-Zerfall, Kosmologie, 0vββ-Zerfall) welche Hierarchie? Majorana oder Dirac Neutrino? Wie groß ist θ 13 ? Gibt es CP-Verletzung im Leptonsektor? … Offene Fragen in der Neutrinophysik: Wie groß ist die Masse des leichtesten Neutrinos? (Trtium-β-Zerfall, Kosmologie, 0vββ-Zerfall) welche Hierarchie? Majorana oder Dirac Neutrino? Wie groß ist θ 13 ? Gibt es CP-Verletzung im Leptonsektor? … Hilfe willkomen!

35 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik ENDE

36 Neutrinophysik Prof. Caren HagnerInstitut für Experimentalphysik M. Apollonio et. al., Eur.Phys.J. C27 (2003) Beste Grenze für Θ 13 vom CHOOZ-Experiment for m 2 atm = 2×10 -3 eV 2 sin 2 2θ 13 < 0.2 (90% C.L) for m 2 atm = 2×10 -3 eV 2 sin 2 2θ 13 < 0.2 (90% C.L) P th = 8.5 GW th, L = 1,1 km, M = 5t Im Untergrund: 300 mwe Target: 5t Gd geladener (0.09%) Szintillator


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