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Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt. 2015 Crab Nebula Neutrinomassen und Flavor-Oszillationen Was steckt hinter dem Physik-Nobelpreis.

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1 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Crab Nebula Neutrinomassen und Flavor-Oszillationen Was steckt hinter dem Physik-Nobelpreis 2015? Georg G. Raffelt Max-Planck-Institut für Physik, München Georg G. Raffelt Max-Planck-Institut für Physik, München

2 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Physik-Nobelpreis 2015 für Neutrino-Oszillationen Takaaki Kajita (*1959) University of Tokyo Arthur McDonald (*1943) Queen’s University, Kanada „für die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen, was beweist, dass Neutrinos Masse haben”

3 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Physik-Nobelpreise für Neutrinos L. Lederman, M. Schwartz, J. Steinberger “für die Neutrinostrahl-Methode und … die Entdeckung des Muon-Neutrinos” F. Reines (1/2) “für die Entdeckung des Neutrinos” R. Davis, M. Koshiba (je 1/4) “für Pionierbeiträge zur Astrophysik, insbesondere für den Nachweis kosmischer Neutrinos” T. Kajita, A. McDonald “für die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen, was beweist, dass Neutrinos Masse haben”

4 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Paulis Erklärung des Beta-Spektrums (1930) Spektrum Beta (Elektron) Energie Niels Bohr: Energie in der Quanten-Welt nicht erhalten? „Neutron” (1930) Wolfgang Pauli (1900–1958) Nobelpreis 1945 „Neutron” (1930) „Neutrino” (E. Amaldi) Entdeckung des Neutrons 1932 (J. Chadwick)

5 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutrino Carabiner Benannt nach einem sub-atomaren Teilchen mit fast verschwindender Masse … Griechisch „Nü” Jetzt auch in Farbe

6 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutron Proton Gravitation (Gravitonen?) Schwache Wechselwirkung (W and Z Bosonen) Periodensystem der Elementarteilchen Elektromagnetische Wechselwirkung (Photon) Starke WW (8 Gluonen) Down Strange Bottom Electron Muon Tau e-Neutrino  -Neutrino  -Neutrino   e e   d s b 1. Familie 2. Familie 3. Familie Up Charm Top u c t QuarksLeptonen Ladung  1/3 Down Ladung  1 Elektron Ladung 0 e-Neutrino e ed Ladung +2/3 Up u Higgs

7 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Wo treten Neutrinos in der Natur auf? Kernreaktoren Teilchen- beschleuniger Atmosphäre (Kosmische Strahlung) Erdkruste (Natürliche Radioaktivität) Sonne Supernova (Sternkollaps) SN 1987A Urknall (Heute 330 /cm 3 ) Indirekte Evidenz Astrophysikalische Beschleuniger

8 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutrinos aus der SonneReaktions-ketten Energie 26.7 MeV Helium Sonnenabstrahlung: 98 % Licht 2 % Neutrinos 2 % Neutrinos Bei uns: 66 Milliarden Neutrinos/cm 2 sec Hans Bethe (1906  2005, Nobelpreis 1967) Thermo-nukleare Reaktionsketten (1938)

9 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Sonnenbrille für Neutrinos? 8.3 Lichtminuten Eine Bleischicht der Dicke von Eine Bleischicht der Dicke von mehreren Lichtjahren nötig mehreren Lichtjahren nötig Bethe & Peierls 1934: Bethe & Peierls 1934: „ … dies bedeutet, dass man „ … dies bedeutet, dass man offensichtlich niemals ein offensichtlich niemals ein Neutrino beobachten wird” Neutrino beobachten wird”

10 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Erster Nachweis an Kernreaktoren (1954–56) Fred Reines (1918–1998) Nobelpreis 1995 Clyde Cowan (1919–1974) Detektor Prototyp Anti-Elektron Neutrinos vom Hanford Kernreaktor 3 Gammas in Koinzidenz p n Cd   

11 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Erste Messung von Neutrinos aus der Sonne 600 Tonnen Tetrachlorkohlenstoff Homestake Sonnenneutrino- Observatorium (1967–1994) Inverser Beta-Zerfall („Neutrinoeinfang”)

12 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Physik-Nobelpreis 2002 für Neutrino-Astronomie Ray Davis Jr. (1914–2006) Masatoshi Koshiba (*1926) „für Pionierbeiträge zur Astrophysik, insbeson- dere für den Nachweis kosmischer Neutrinos”

13 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Mittelwert (1970  1994) 2.56  0.16 stat  0.16 sys SNU (SNU = Solar Neutrino Unit = 1 Absorption / sec / Atome) Resultat des Chlor Experiments (Homestake) ApJ 496:505, 1998 Mittlere Rate Theoretische Erwartung Theoretische Erwartung 6  9 SNU „Sonnen-Neutrino-Problem” seit ca. 1968

14 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt „Fehlende Sonnenneutrinos” in vielen ExperimentenHomestake 7 Be 8B8B8B8B CNO Chlor Gallex/GNOSAGE CNO 7 Be pp 8B8B8B8B Gallium (Super-)Kamiokande 8B8B8B8B Wasser e + e  e + e SNO 8B8B8B8B e + d  p + p + e Schweres Wasser

15 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt „Neutrino-Verwandlung” des Rätsels Lösung?Sonne Detektor Detektor Sonne

16 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutrino-Flavor-Oszillationen Oszillations- Länge L Bruno Pontecorvo (1913–1993) Vladimir Gribov (1930–1997)

17 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Mischung von Neutrinos verschiedener MasseElektron-neutrino Neutrino Masse m 1 Neutrino Masse m 2 Neutrino-Ausbreitung als Wellen-Phänomen Masse m 2 = m 1 Masse m 1 Masse m 2 > m 1 Masse m 1

18 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutrino-Oszillationen Masse m 2 > m 1 Masse m 1 Oszillations-Länge

19 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutrino-Oszillationen Oszillations-Länge

20 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt SNO Proposal Herbert Hwa Chen (1942–1987) Vorschlag 1984: Schweres Wasser als „Neutrinofänger” „Sieht” alle Neutrinoflavors Verfügbar in Kanada als Leihgabe der kanadischen strategischen Reserve des CANDU Reaktorprogramms Bildung des Sudbury Neutrino Observatory Projekts (SNO) Nach dem Tod von H. Chen (7. Nov. 1987) übernimmt Art McDonald (damals Princeton) die Leitung des Projekts Messung des vollen Sonnenneutrinoflusses 2002 Nobelpreis für Art McDonald 2015

21 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Sudbury Neutrino Observatory (SNO) 1999– Tonnen „Schweres Wasser” Normales (leichtes) Wasser H 2 0 Schweres Wasser D 2 0 Wasserstoffkern (Proton) Schwerer Wasserstoff (Deuterium)

22 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Sudbury Neutrino Observatory (SNO) 1999–2006 Schwerer Wasserstoff (Deuterium) Elektron-Neutrinos Schwerer Wasserstoff (Deuterium) Alle Neutrino-Flavors

23 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Resultat des SNO Detektors (2002) Phys. Rev. Lett. 89:011301, 2002 (http://arXiv.org/abs/nucl-ex/ ) „Fehlende” Elektron-Neutrinos kommen wirklich in den anderen Flavors an! Arthur McDonald Queen’s University, Kanada

24 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Reaktor-Neutrino-Oszillationen (KamLAND, Japan) Oszillationsmuster für Anti-Elektron-Neutrinos als Funktion der Energie bei festem Abstand (ca. 180 km) KamLAND Szintillator-Detektor (1000 t) Abstand/Energie (km/MeV) Messpunkte Erwartete Überlebenswahrscheinlichkeit basierend auf Reaktorabständen

25 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Tscherenkow Effekt Wasser Neutrinostreuung oder Einfang Neutrino Licht Tscherenkow Ring Elektron oder Muon (Geladenes Teilchen)

26 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Super-Kamiokande Neutrino Detektor (Seit 1996) 42 m 39.3 m

27 Super-Kamiokande: Sonne im Neutrinolicht Bisher ca Sonnenneutrinos gemessen (1996–2014) Jahreszeit Winkel relativ zur Sonne Super-Kamiokande: Sonne im Neutrinolicht

28 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Atmosphärische Neutrinos Erstes „natürliches Neutrino”: 23. Feb Erstes „natürliches Neutrino”: 23. Feb Februar 1987: Neutrinos der SN 1987A 23. Februar 1987: Neutrinos der SN 1987A Chase-Witwatersrand-Irvine Collaboration Chase-Witwatersrand-Irvine Collaboration East Rand Proprietary Mine/South Africa East Rand Proprietary Mine/South Africa Kolar Gold Field (KGF, India) Collaboration Kolar Gold Field (KGF, India) Collaboration (Japan-India-UK group) (Japan-India-UK group)

29 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Präsentation bei „Neutrino 1998“ in Takayama Neutrino 1998, Takayama, Japan,

30 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Präsentation bei „Neutrino 1998“ in Takayama Neutrino 1998, Takayama, Japan,

31 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Präsentation bei „Neutrino 1998“ in Takayama Neutrino 1998, Takayama, Japan, Von unten („up-going”) nur der halbe Fluss der Muon-Neutrinos verglichen mit „down-going”  Flavor-Oszillationen, und zwar der Muon-Neutrinos!

32 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Präsentation bei „Neutrino 1998“ in Takayama Neutrino 1998, Takayama, Japan, Von unten (“up-going”) nur der halbe Fluss der Muon-Neutrinos verglichen mit “down-going”  Flavor-Oszillationen, und zwar der Muon-Neutrinos! Takaaki Kajita University of Tokyo

33 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt „Long-Baseline” (LBL) Experimente K2K Experiment (KEK to Kamiokande) und andere LBL Experimente messen genaue Oszillations- parameter

34 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Drei-Flavor-Mischung (normal)68% 30% 57% 20% 23% 41% 12% 47% Kleine „1-3-Mischung” ab dem Jahr 2012 an Reaktor-Experimenten gemessen (Daya Bay, Reno, Double-Chooz) 2% Neueste Details z.B. unter

35 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Drei-Flavor-Mischung (invertiert)68% 30% 57% 20% 23% 41% 12% 47% Kleine „1-3-Mischung” ab dem Jahr 2012 an Reaktor-Experimenten gemessen (Daya Bay, Reno, Double-Chooz) 2% Neueste Details z.B. unter

36 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Oszillieren Antineutrinos anders als Neutrinos? Dirac-Phase verändert 3-Flavor Oszillationen zwischen Neutrinos und Antineutrinos Abstand [1000 km] für E = 1 GeV

37 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Energieskalen und Teilchenmassen eV Planck Masse GUT Skala Elektroschwache Skala QCD Skala Kosmologische Konstante „See-Saw-Mechanismus” (Klipp-Klapp-Mechanismus) Schwere „rechtshändige” Neutrinos?

38 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Die „Neutrino-Waage” KATRIN Misst gemeinsame Masse m für alle Flavors (Massenunterschiede klein, siehe Oszillationen) Beste Schranken aus Mainz & Troitsk m < 2.2 eV (95% CL) KATRIN soll 0.2 eV erreichen Wird derzeit aufgebaut Datennahme soll 2016 beginnen Tritium  -Zerfall Endpunkt- Energie 18.6 keV Elektronspektrum

39 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt KATRIN Ante Portas (25. November 2006)

40 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall Einige Kerne zerfallen nur im  Modus, z.B. Ge Ge 76 Se 76 As 00 22 22 00 Standard 2 Mode0 Mode, ermöglicht durch Majorana Masse Wird in vielen Experimenten fieberhaft gesucht! Neutrino-Masse nötig Neutrino = Anti-Neutrino

41 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Weighing Neutrinos with the Universe

42 Urknall des Universums

43 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Strukturbildung mit Neutrinos Neutrinos mit  m = 6.9 eVStandard  CDM Modell Strukturbildung mit Gadget Code simuliert Würfelseite 256 Mpc heutiges Universum Troels Haugbølle,

44 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Pie Chart of Dark Matter of the Universe Neutrinos Neutrinos 0.1  0.4% 0.1  0.4% Dunkle Materie ca 25% Normale Materie ca 5% (hiervon ca 10% leuchtend) Dunkle Energie ca 70% Dunkle Energie ca 70% (Kosmologische Konstante) (Kosmologische Konstante)

45 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Crab Nebula – Remnant of SN 1054Krebsnebel Überrest der historischen Supernova 1054 AD

46 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Sternkollaps und Supernova Explosion Wasserstoff Brennen Hauptreihenstern Helium brennender Stern HeliumBrennen WasserstoffBrennen Zwiebelschalenstruktur Entarteter Eisenkern:   10 9 g cm  3   10 9 g cm  3 T  K T  K M Fe  1.5 M Sonne M Fe  1.5 M Sonne R Fe  3000 km R Fe  3000 km Kollaps (Implosion)

47 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Sternkollaps und Supernova Explosion Kollaps (Implosion) Explosion Neugeborener Neutronenstern

48 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Sternkollaps und Supernova Explosion Neugeborener Neutronenstern Neutrino- kühlung durch Diffusion

49 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Sanduleak Sanduleak  Große Magellan’sche Wolke Abstand 50 kpc ( Lichtjahre) Tarantel Nebel Supernova 1987A 23. Februar 1987

50 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Neutrino-Signal der Supernova 1987A Kamiokande-II (Japan) Wasser-Tscherenkow-Detektor 2140 Tonnen Irvine-Michigan-Brookhaven (USA) Wasser-Tscherenkow-Detektor 6800 Tonnen Baksan-Szintillator-Teleskop (Russland) 200 Tonnen Zeit in Sekunden Energie (MeV) 2002 M. Koshiba

51 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Große Detektoren für Supernova-Neutrinos Super-K (10 4 ) KamLAND (400) In Klammern Zahl der Ereignisse für eine „typische SN” im Abstand von 10 kpc LVD (400) Borexino (100) IceCube (10 6 ) Baksan Baksan (100) (100) Daya Bay Daya Bay (100) (100) SNO+ (300) HALO HALO (tens) (tens)

52 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Drei Arten energiereicher „kosmischer Botschafter” Kosmische Strahlung (geladene Teilchen) Gamma Strahlung Neutrinos

53 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt IceCube Neutrino-Teleskop am Südpol 5160 Digitale Optische Module in 1 km 3 antarktischem Eis (komplett seit Dez. 2010) 2400 m Tiefe 1400 m Tiefe Oberfläche

54 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt AMANDA IceCube Südpol Landebahn Amundson-Scott Station am Südpol Astronomie-Sektor Stationsgebäude

55 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt IceCube Neutrino „Ernie”

56 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt „Entdeckung des Jahres“ (2013)

57 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Astrophysikalische IceCube Neutrinos Keine klaren astrophysikalischen Quellen – mehr Neutrinos nötig!

58 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Big is Beautiful … IceCube Gen 2 Projekt (2020+) 10 Kubik-Kilometer Doppelte Anzahl Optischer Module

59 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Globales Neutrino Netzwerk (GNN) GVD Antares KM3NeT IceCube

60 Georg Raffelt, MPI Physik, München Physik Modern, München, 15. Okt Wolfgang Pauli zu Neutrinos „Ich habe etwas Schreckliches getan, ich habe ein Teilchen postuliert, das man nicht nachweisen kann.” Wolfgang Pauli (1900–1958)

61 Neutrinos at the center Astrophysik & Kosmologie Kosmische Strahlung Kosmische Strahlung Elementarteilchen-Physik Elementarteilchen-Physik


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