DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neue Ergebnisse der Neutrinophysik DPG Aachen 2002 großes Jahr in der Neutrinophysik! April: SNO Flavoränderung.

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1 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neue Ergebnisse der Neutrinophysik DPG Aachen 2002 großes Jahr in der Neutrinophysik! April: SNO Flavoränderung bei solaren Neutrinos Oktober: Nobelpreis Homestake Kamiokande Dezember: KamLAND Reaktor Neutrinos LMA-Lösung Caren Hagner Virginia Tech

2 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neutrinomassen und Neutrinomischung Neutrinomischung! 3 massive Neutrinos: ν 1, ν 2, ν 3 mit Massen: m 1 <m 2 <m 3 Flavor-Eigenzustände Massen-Eigenzustände

3 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Parametrisierung der Neutrinomischung Neutrino-Mischungsmatrix: 3 Mischungswinkel: θ 12, θ 23, θ 13 1 CP-verletzende Dirac-Phase: δ Neutrino-Mischungsmatrix: 3 Mischungswinkel: θ 12, θ 23, θ 13 1 CP-verletzende Dirac-Phase: δ Im Fall von Majorana Neutrinos zusätzlich: 2 CP-verletzende Majorana-Phasen Im Fall von Majorana Neutrinos zusätzlich: 2 CP-verletzende Majorana-Phasen θ sol θ 13, δ θ atm

4 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Experimentelle Methoden Neutrinooszillationen: Mischungswinkel,δ Massendifferenzen β-Zerfall: Absolute Masse Majorana-Teilchen? Absolute Masse (Majorana Phase) ββ-Zerfall: Kosmologie (CMBR): Absolute Masse

5 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors) Überlebenswahrscheinlichkeit: 0 1 2 3 L in L osz

6 Die Sonne im Neutrinolicht (Super-Kamiokande) Solare Neutrinos Energie des Neutrinos in MeV

7 Solare Neutrinos: pioneering experiment Raymond Davis Jr., Homestake Experiment Nobelpreis 2002 R exp = 0.34 × SSM E ν > 814 keV Seit 1970

8 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Das solare Neutrinorätsel Sonnenmodelle durch Helioseismologie bestätigt Non-Standard Neutrinoeigenschaften! Energieabhängiges Defizit

9 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neutrinooszillationen in Materie Elastische Neutrino-Elektron Streuung in Materie: ν e : geladener + neutraler Strom ν μ,τ : neutraler Strom Elastische Neutrino-Elektron Streuung in Materie: ν e : geladener + neutraler Strom ν μ,τ : neutraler Strom e μ ΘmΘm 2m 1m Innen e μ ΘmΘm 2m 1m Resonanz e μ ΘmΘm 2m 1m A uβ en Resonanz für X = cos(2θ) Im Inneren der Sonne: θ m = 90 o An der Oberfläche: θ m = θ Resonanz für X = cos(2θ) Im Inneren der Sonne: θ m = 90 o An der Oberfläche: θ m = θ

10 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Beste Erklärung: Neutrinooszillationen 10 tan 2 θ SMA LMA LOW VAC Stand letzte DPG-Tagung, Frühjahr 2002

11 SNO: Sudbury Neutrino Observatory Target sind 1000t D 2 O Creighton Nickel-Mine in Sudbury Canada Messung des 8 B-Flusses CC (geladener Strom): ν e ES (elast. Streuung): ν e, (ν μ/τ ) NC (neutraler Strom): ν e + ν μ + ν τ Messung des 8 B-Flusses CC (geladener Strom): ν e ES (elast. Streuung): ν e, (ν μ/τ ) NC (neutraler Strom): ν e + ν μ + ν τ NEU!

12 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech SNO: NC NC: ν x + d p + n + ν x (E ν >2.2MeV) Gleicher WQ für ν e, ν, ν Messung des gesamten 8 B-Neutrinoflusses NC: ν x + d p + n + ν x (E ν >2.2MeV) Gleicher WQ für ν e, ν, ν Messung des gesamten 8 B-Neutrinoflusses Neutronennachweis: Phase1: n + d t + (6.25MeV) bisherige Resultate! Phase2: n + 35 Cl 36 Cl + s(8.6MeV) seit Juni 2001 Phase3: n + 3 He p + t ( He-Zählrohre) Neutronennachweis: Phase1: n + d t + (6.25MeV) bisherige Resultate! Phase2: n + 35 Cl 36 Cl + s(8.6MeV) seit Juni 2001 Phase3: n + 3 He p + t ( He-Zählrohre)

13 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech SNO: CC und ES CC: ν e + d p + p + e - (E ν > 1.4MeV) Nur sensitiv auf ν e Messung des ν e Energiespektrums CC: ν e + d p + p + e - (E ν > 1.4MeV) Nur sensitiv auf ν e Messung des ν e Energiespektrums ES: ν eμτ + e - ν eμτ + e - σ(ν e,e) 5 × σ(ν μτ,e) ES: ν eμτ + e - ν eμτ + e - σ(ν e,e) 5 × σ(ν μτ,e) Auch in Super-K (KamLAND-solar, Borexino)

14 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech SNO: Solarer 8 B-Neutrinofluss 2000 580 260 Ereignisse (306Tage) Standard Sonnen Modell (SSM): BP00 Stimmt!

15 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech SNO: Folgerung Anzahl der 8 B-Neutrinos wie vom SSM vorausgesagt! 1/3 erreichen den Detektor als ν e 2/3 erreichen den Detektor als ν μ oder ν τ Anzahl der 8 B-Neutrinos wie vom SSM vorausgesagt! 1/3 erreichen den Detektor als ν e 2/3 erreichen den Detektor als ν μ oder ν τ Transformation νeνe νμ/τνμ/τ Mechanismus ? Damit ist gezeigt:

16 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Analyse der solaren Neutrinoexperimente LMA LOW Quasi-Vac SMA praktisch ausgeschlossen Stand nach SNO Ergebnis, Sommer 2002 Welche Lösung?

17 Reaktorneutrino-Experiment KamLAND Reaktor: ν e E v 1÷10MeV Verschwinden von ν e ? Distanz der Reaktoren 175 km 1000t Flüssig-Szintillator

18 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech E (Reaktor-ν) 5MeV Δm 2 (LMA) = 510 -5 eV 2 E (Reaktor-ν) 5MeV Δm 2 (LMA) = 510 -5 eV 2 Mittlere Entfernung der Reaktoren von Kamland: 175km LMA-Test mit Reaktor-( Anti )-Neutrinos Test möglich!

19 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Nachweis der Reaktor-Antineutrinos E v > 1.8 MeV promptes Ereignis: E v – 0.77 MeV verzögertes Ereignis: 180μsec

20 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech KamLAND: Energiespektrum Größter Effekt Position m 2

21 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 021802 Reaktorneutrino-Experimente

22 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech 99.73% 99% 95% 90% Analyse Maltoni, Schwetz, Valle Analyse: Solare Neutrinos + KamLAND Analyse KamLAND-Koll. Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 021802 Analyse KamLAND-Koll. Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 021802 LMA-I LMA-II

23 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Solare/Reaktor Neutrinos: Status Flavor-Umwandlung ν e ν μ/τ Beste Erklärung: Neutrinooszillationen in Materie LMA (best fit): tan 2 θ sol 0.46 m 2 21 7 × 10 -5 eV 2 LMA (best fit): tan 2 θ sol 0.46 m 2 21 7 × 10 -5 eV 2 Mischung nicht maximal! Vorzeichen von m 2 21 bestimmt

24 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Solare/Reaktor Neutrinos: Zukunft Test des Standard Sonnenmodells und Test des Materieeffekts: 7 Be-Fluss: (0.64 ± 0.03) × SSM KamLAND-Solar und BOREXINO pp-Fluss: GNO, LENS Test des Standard Sonnenmodells und Test des Materieeffekts: 7 Be-Fluss: (0.64 ± 0.03) × SSM KamLAND-Solar und BOREXINO pp-Fluss: GNO, LENS KamLAND-Reaktor: höhere Statistik Neues Reaktorexperiment mit geeigneter Distanz Oszillationsmuster, Genauigkeit m 2 sol und θ sol KamLAND-Reaktor: höhere Statistik Neues Reaktorexperiment mit geeigneter Distanz Oszillationsmuster, Genauigkeit m 2 sol und θ sol

25 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Atmosphärische Neutrinos L 20 km L 13000 km atmosphärische Neutrinos: E v einige GeV Oszillationswahrscheinlichkeit variiert mit Zenithwinkel θ θ

26 Kamiokande Experiment: Nobelpreis 2002 solare ν atmosphärische ν Supernova ν Masatoshi Koshiba, (Kamioka Nucleon Decay) Experiment

27 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech 50kton Super-Kamiokande Detektor SK-I: Datennahme 1498 Tage (Mai 1996 – Juli 2001) Unfall im November 2001: ~50% der PMTs implodiert SK-II: Start 6. Dezember 2002 mit 50% PMT Abdeckung - ok für atm. Neutrinos und K2K, - höhere Energieschwelle für solare Neutrinos. SK-III: ~2005, wieder volle Anzahl der PMTs. SK-I: Datennahme 1498 Tage (Mai 1996 – Juli 2001) Unfall im November 2001: ~50% der PMTs implodiert SK-II: Start 6. Dezember 2002 mit 50% PMT Abdeckung - ok für atm. Neutrinos und K2K, - höhere Energieschwelle für solare Neutrinos. SK-III: ~2005, wieder volle Anzahl der PMTs.

28 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech SuperK – atmosphärische Neutrinos e–ähnliche Ereignisseμ–ähnliche Ereignisse Ohne Oszillationen Oszillationen (best fit) Daten νeνe e νμνμ μ

29 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Atmosphärische Neutrinos: Analyse Neutrinooszillationen Best fit: m 2 atm = 2.5×10 -3 eV 2 sin 2 2θ atm = 1.0 Best fit: m 2 atm = 2.5×10 -3 eV 2 sin 2 2θ atm = 1.0 Bestätigt durch MACRO, SOUDAN

30 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Atmosphärische Neutrinos: Resultate Bester fit für ν μ ν τ Oszillationen Disappearance von ν μ (Zenithwinkel abh.) ν μ ν e Oszillationen von CHOOZ Exp. ausgeschlossen m 2 atm = (1.5 – 4) × 10 -3 eV 2 (90%CL) sin 2 2θ atm = 1.0 (LMA-Mischung θ solar nicht maximal) Vorzeichen von m 2 23 unbekannt! Maximale Mischung!

31 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Ergebnis (06/1999 – 07/2001): 5.6·10 19 POT Ereignisse Far Detector : ohne Oszillationen erwartet: K2K Beschleuniger Experiment Near Detector 1 ton KEK 300m 250km ν μ, = 1.3 GeV Super-K far detector 50 kton Ziel: 1.0×10 20 POT = 200 Neutrino Ereignisse in SK Wahrscheinlichkeit für Null Oszillation: <0.4%

32 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Long Baseline Beschleuniger Experimente: Zukunft Volles Oszillationsmuster: MINOS (Fermilab Soudan), Icarus Appearance der Tau-Neutrinos: OPERA, Icarus (Cern Gran Sasso) Präzisionsmessung von m 2 atm und sin 2 2θ atm : MINOS, Icarus JHF Super-K

33 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Was wissen wir über die Mischungsmatrix? θ sol Solare Neutrinos und Reaktorexperiment (Kamland): tan 2 θ sol 0.46 θ atm Atmosphärische Neutrinos und Beschleuniger (K2K): sin 2 2θ atm 1 θ 13, δ Unbekannt: θ 13, CP-Phase δ Grenze durch CHOOZ Reaktorexperiment: sin 2 2θ 13 < 0.1 Jagd nach θ 13 und δ!

34 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Bestimmung von θ 13 und δ: θ 13 in subdominanten Effekten bei long baseline Neutrinooszillations-Experimenten: Reaktor und Beschleuniger Neutrino-Superbeams, Off-axis beams, Neutrino Factory falls Θ 13 groß genug δ durch Asymmetrie:

35 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech LSND: Beam Dump Experiment Verifizierung durch MiniBooNE/FNAL (läuft) Überschuss gesehen! Interpretation: steriles Neutrino

36 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Bestimmung der Neutrinomasse Super-K (atm. Neutrinos): m 2 atm = 2.5 × 10 -3 eV 2 m(ν i ) > 0.05 eV Das bestimmt die Energieskala bei der man suchen muss

37 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Tritium β-Zerfall: Mainz/Troitsk Mainz Daten (1998,1999,2001) Zukunft: KATRIN

38 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neutrinoloser Doppelbetazerfall d d u u e eW W n n p p v = v 0v Doppelbetazerfall: (A,Z) (A,Z+2) + 2e - Neutrino Anti-Neutrino Majorana-Neutrino: nur für Majorana-Neutrino und m V > 0!

39 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neutrinoloser Doppelbetazerfall effektive Neutrinomasse im 0νββ-Zerfall: Vergleich β-Zerfall: Phasenraumfaktor Übergangsmatrixelement effektive Neutrinomasse

40 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Doppelbeta-Experimente: Resultate Heidelberg-Moskau Kollaboration, Eur.Phys.J. A12 (2001) 147 IGEX Kollaboration, hep-ex/0202026, Phys. Rev. C59 (1999) 2108 2.1 × 10 23 0.85 – 2.1 alle 90%CL HM-K IGEX

41 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Doppelbetazerfall: Zukunft

42 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Neutrinomasse aus kosmischer Hintergrundstrahlung (WMAP) Aus Fit an Multipolentwicklung der T-Fluktuationen (WMAP, CBI, ACBAR, 2dFGRS, Lyman-α):

43 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech Zusammenfassung Masse des leichtesten Neutrinos: β ββ < 0.35 eVββ-Zerfall m ν < 0.23 eVCMBR-fit Neutrinooszillationen: Solare, Reaktor-Neutrinos/KamLAND: ν e ν μ/τ Oszillationen (LMA) Atmosphärische, Beschleuniger-Neutrinos/K2K: ν μ ν τ Vakuum Oszillationen Oszillationsmuster ν τ -Appearance Zukunft: Messung von θ 13, δ Reaktor, Superbeams, Off-axis beams, Neutrinofactory Majorana? Oszillationsmuster

44 DPG Aachen, 10.März 2003Caren Hagner, Virginia Tech ENDE