A KTUELLE E XPERIMENTE UND E RGEBNISSE ZUR N EUTRINO - O SZILLATION Florian Schneider Seminar Astro- und Teilchenphysik 19. Januar 2009.

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1 A KTUELLE E XPERIMENTE UND E RGEBNISSE ZUR N EUTRINO - O SZILLATION Florian Schneider Seminar Astro- und Teilchenphysik 19. Januar 2009

2 I NHALT Historie der Neutrinophysik Theoretische Überlegungen zur Neutrino- Oszillation im Vakuum Atmosphärische Neutrinos Super Kamiokande Solare Neutrinos Chlorexperiment von Ray Davis Super Kamiokande Sudbury Neutrino Observatory Reaktor Neutrinos Double Chooz Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

3 E CKDATEN D ER N EUTRINO P HYSIK 1930PauliPostuliert Neutrino 1956Cowan & ReinesExperimenteller nachweis von Elektronantineutrinos 1957/58Wu, GoldhaberPariätsverletzung, ν ´s sind linkshändig 1962Lederman, Schwarz, Steinberger Nachweis μ-Neutrinos seit 1970Davis,…Defizit Solarer Neutrinos 1987KamiokandeNachweis von SN1987a Neutrinos 1998Super-KamiokandeNachweis Oszillation atmosphärischer ν 2000DonutNachweis τ- Neutrinos 2001,2002SNO + Super-K, GallexNachweis Oszillation solarer Neutrinos 2002KamLANDBestätigung Oszillation solarer Neutrinos 2006K2K, MinosBestätigung Oszillation atmosphärischer ν Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

4 P AULI ´ S P OSTULAT 1914 β - Zerfall: Erwartetes Spektrum im Vergleich zum beobachteten Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

5 P AULI ´ S P OSTULAT 1930 Pauli postuliert das Neutrino: Neutrino ist neutral; hat Spin ½; ist sehr leicht oder gar masselos Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

6 P AULI ´ S P OSTULAT ν wird zusätzlich zu dem e - während dem β - Zerfall emittiert Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

7 E XPERIMENTELLER N EUTRINONACHWEIS Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider 1956: Cowan und Reines Antineutrinoquelle: Savannah River Reaktor (USA) Versuchsanordnung: Wassertanks A,B befinden sich zwischen den Detektoren I,II,III Signalverzögerung zwischen Neutron und Positron Abtrennen Untergrund

8 N EUTRINOS IM T EILCHENZOO 12 Fermionen 6- linkshändige Dublets 9- rechtshändige Singulets Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Leptonen Quarks (keine in SM)

9 N EUTRINO O SZILLATION Quantenmechanik – Wellenbeschreibung freie stabile Teilchen Wahrscheinlichkeitsamplitude propagiert Wellenförmig in Raum-Zeit: Teilchen 1 habe zur Zeit am Ort die Amplitude am Ort Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

10 N EUTRINO O SZILLATION zwei Teilchen mit Massen, und gleicher Energie starten Phasengleich bei, in gleiche Richtung Phasen am Ort Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

11 N EUTRINO O SZILLATION für Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

12 N EUTRINO O SZILLATION Annahme: 1), werden in schw. Wechselwirkung erzeugt 2), sind Mischungen von Masseneigenzuständen, mit den Massen, entsprechend: Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

13 N EUTRINO O SZILLATION Zur Zeit wird ein erzeugt. Propagation der Masseneigenzustände,. Nach Flugstrecke L haben beide einen Phasenunterschied. Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider QuellePropagationNachweis

14 N EUTRINO O SZILLATION Wahrscheinlichkeitsamplitude, dass am Ort ein vorliegt: Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

15 N EUTRINO O SZILLATION Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Wahrscheinlichkeit, dass am Ort ein vorliegt. Einführung einer Oszillationslänge

16 N EUTRINO O SZILLATION Vakuum Oszillation für 2 Neutrinoflavours: Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

17 N EUTRINO O SZILLATION Jetzt 3 Neutrinosorten: Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider QuellePropagationNachweis

18 N EUTRINO O SZILLATION Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Mit und,, 3 Masseparameter 3 Mischungswinkel 1 Dirac-Phase

19 N EUTRINO O SZILLATION Amplitude für Übergang nach Strecke L: Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

20 N EUTRINO O SZILLATION Wahrscheinlichkeit, dass ein in ein übergeht: Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider MittelwertOszillationsterm

21 N EUTRINO O SZILLATION A TMOSPHÄRISCHER N EUTRINOS Erster Beweis Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Wechselwirkung kosmischer Strahlung in der äußeren Atmosphäre

22 S UPER K AMIOKANDE A TMOSPHÄRISCHE N EUTRINOS Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider 50000t Wasser Cherenkov Detektor Höhe: 40m Ø: 40m 11146 Photomultiplier Kamioka-Mine, Japan 1000m unter der Erde

23 S UPER K AMIOKANDE Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Cherenkov Kegel: Energie Richtung e/µ-Unterscheidung

24 S UPER K AMIOKANDE Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Observable: gemessen: - Defizit

25 S UPER K AMIOKANDE Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider µ: scharfer Ringe: unscharfen Ring (vielfach Streuung, Em Schauer)

26 S UPER K AMIOKANDE Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Energie- abhängiger Defizit aufsteigen- der µ-Neutrinos

27 N EUTRINO O SZILLATION S OLARE N EUTRINOS Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

28 N EUTRINO O SZILLATION S OLARE N EUTRINOS Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

29 C HLOREXPERIMENT VON R AY D AVIS S OLARE N EUTRINOS Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Exposition von 380 m 3 flüssigem Perchlorethylen (C 2 Cl 4 ) in der Homestake-Mine (USA) sensitiv ab 7 Be-Neutrinos Messzeit: 1970-1994: 108 Zyklen Resultat: Neutrinoereignisse pro Tag Aus Sonnenmodell erwartet

30 S UPER K AMIOKANDE S OLARE N EUTRINOS Solare Neutrinos: Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider kommen von der Sonne

31 S UDBURY N EUTRINO O BSERVATORY SNO S OLARE N EUTRINOS Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Creighton Mine 2000 m unter der Erde Sudbury, Ontario, Canada 1000t D 2 O 9500 Photomultiplier Acryl Behälter Ø 12m Innerer Schirm, 1700t H 2 O Äußerer Schirm,5300t H 2 O

32 Verifiziert durch Salt Phase S UDBURY N EUTRINO O BSERVATORY SNO Nachweis solarer 8 B-Neutrinos Folgend in Einheiten 10 6 cm -2 s -1 : Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider (CC) (NC) (ES)

33 D OUBLE C HOOZ R EAKTORNEUTRINOS Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Reaktor disappearance Experiment: 3 flavour Neutrino Oszillation Suche nach θ 13 Chooz: Double Chooz:

34 E RGEBNISSE DER E XPERIMENTE Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider Atmosphärische Neutrinos: (SK,…) Beschleuniger Neutrinos: (K2K, MINOS) Solare Neutrinos: (Homestake, Gallex, Sage, SK, SNO) Reaktor Neutrinos: (KamLAND, CHOOZ,…) -Oszillation

35 Q UELLEN Berger, Elementarteilchenphysik, Springer Simonyi, Kulturgeschichte der Physik http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html http://www.sno.phy.queensu.ca/ http://doublechooz.in2p3.fr/ Physikal Review D 74, 032002 (2006) arXiv:nucl-ex/0309004 v1 6 Sep 2003 arXiv:hep-ex/0606025 v4 30 Oct 2006 http://www.astroteilchenschule.physik.uni- erlangen.de/schule2007/index.html http://pdg.lbl.gov/ Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider