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V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen 5.1. Neutrinooszillationen Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen: a)Leptonzahlen sind einzeln erhalten.

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1 V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen 5.1. Neutrinooszillationen Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen: a)Leptonzahlen sind einzeln erhalten b)Neutrinos werden künstlich exakt masselos gesetzt Experiment a) und b) verletzt! CKM-Formalismus auch für Leptonen (Neutrinos) Flavour-Dynamik und Leptonzahl-Dynamik Flavour-Oszillationen und Lepton-Oszillationen genauer Neutrino-Oszillationen CP-Verletzung auch im Neutrino-Sektor

2 Beispiel: Betrachte nur zwei Neutrino-Sorten: Massen-Eigenzustände 1, 2 Massen m 1, m 2 Schwache Eigenzustände e, z.B. via Unitäre Transformation: Analogon zum Cabibbo-Winkel

3 Experimentelle Ansätze: Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen: Sensitivitätsbedingung für m 2 : sonst Ausschmierung durch experimentelle Auflösung nur sensitiv auf

4 i) DisappearanceExperimente: ii) AppearanceExperimente: QuelleDetektor Fluss Q bekanntFluss D wird gemessen QuelleDetektor Fluss Q bekannt

5 Neutrino-Quellen: Kernkraftwerke atmosphärische Neutrinos innere Erde aktive galaktische Kerne Teilchenbeschleuniger unsere Sonne Supernovae -Quelle -Typen E / MeV L / km m 2 | min / eV 2 Reaktor Beschleuniger Atmossphäre Sonne 0,

6 Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne: E thermisch Solarkonstante: Neutrinosfluss auf der Erde: Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM 5.2. Solare Neutrinos

7 Reaktionen mit e -Produktion im SSM Reaktion Abk. (cm 2 s 1 ) Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit!

8 Spektrum solarer Neutrinos im SSM

9 Experimentelle Techniken: a)Nachweis von Kernumwandlungen b)Realzeit-Streuexperimente c)Tieftemperaturdetektoren radiochemischer / geochemischer Nachweis (Schwer-)Wasser-Target hohe Energieschwelle Flüssigszintillator-Target niedrige Energieschwelle Einheit für den gemessenen Neutrinofluss: SNU (Solar Neutrino Unit) 1 SNU Einfänge pro Sekunde und Targetkern

10 Detektormaterial 37 Cl (Reinigungsmittel): Argonnachweis: -Strahlung nach K-Einfang Davis-Experiment: 500 Tonnen Detektormaterial 1-3 Reaktionen pro Monat Resultat: e -Fluss Fluss Theorie Mögliche Gründe: Sonnenmodell falsch? Berechneter Neutrinofluss ist extrem sensitiv auf Kerntemperatur der Sonne! Neutrinooszillationen? Das Pionier-Experiment (Ray Davis Jr., Homestake): Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)

11 Resultate für solare e -Flüsse auf der Erde ReaktionSchwelle Fluss SSM-Vorhersage 37 Cl 37 Ar 814 keV 2,6 SNU 8,0 SNU 71 Ga 71 Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU e e e e 5 7 MeV2, cm 2 s 1 8 B 5, cm 2 s keV 233 keV 5 MeV Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen e -Oszillation

12 Direkter Nachweis der solaren e Oszillation Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Target: D 2 O (schweres Wasser) Schwellenenergie: 1-2 MeV X exklusiv von 8 B 8 Be e e Reaktionen: Charged Current (CC): Neutral Current (NC): Elastic Scattering (EC): e e W n p p p X X Z n,p p,n n,p p,n e X Z e X e e W e e

13 Lösung des solaren Neutrino-Problems Vorhersage SSM

14 Bestätigung: KamLAND-Experiment mit von Kernkraftwerken ( L km )

15 Erde kosmische Strahlung (p) Luftschauer,e Untergrund- Detektor 5.3. Atmosphärische Neutrinos

16 -Entstehung in hadronischen Luftschauern mehr positive als negative kosmische Strahlung Kern in Atmosphäre Erwartung: Im Detektor: Signatur

17 Das Pionier-Experiment: Super-Kamiokande Untergrund Wasser-Cherenkov-Detektor (Kamioka-Mine) Č-Licht e e.m. Schauer Juni 1998: Definitiver Nachweis von Neutrinooszillationen verschwinden, e werden nicht zusätzlich erzeugt also: oder X 90% C.L.: Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)

18 Oszillation auf dem Weg durch die Erde e -Fluss wie erwartet -Fluss von unten zu klein -Fluss von oben

19 Beobachtung der L E-Abhängigkeit des -Defizits und Interpretation als Oszillation

20 Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Experimenten ( L km ) atmosphärisch

21 Experimenteller Stand Neutrino-Oszillationen Linien: Ausschlussgrenzen Flächen: Messungen Solare Neutrinos Reaktor-Neutrinos Atmosphärische Neutrinos Long Baseline -Exp.

22 Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände e oder invertiert:

23 -Zerfall: E0E0 EeEe Kurie-Plot K(E e ) E 0 m 5.4. Experimente zur Neutrinosmasse

24 Zerfall ruhender Pionen: p vom Zyklotron Target zum Spektrometer Veto-Szintillator Abbrems-Target und Signal-Szintillator

25 -Zerfall: had im -Ruhesystem m m had

26 Doppel- -Zerfall: Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen? Ist e ein massives Teilchen? Existieren rechtshändige e -Ströme? E 2e Endpunkts- Energie Normal: L 0 Neutrinolos: L 2 Majorana-

27 Neutrinoloser Doppel- -Zerfall auf dem Quarkniveau: Majoranamasse Chiralitätsflip rechtshändiger geladener Strom Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos): oder andere neue Physik stets folgt Existenz von Majorana-


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