Neutrino-Oszillation ! CERN Neutrino - Physik CERN Neutrino - Physik Quarks Leptonen Nach unserem heutigen Verständnis der Teilchenphysik teilen wir die fundamentalen Partikel in 3 Familien von Quarks und Leptonen ein. Leptonen erscheinen in "Duplets". Wenn ein Neutrino mit Materie reagiert, produziert es sein entsprechendes geladenes Lepton : Ein Elektron-Neutrino (ne) produziert ein Elektron (e). Ein Myon-Neutrino (nm) produziert ein Myon (m), das in ein Electron und zwei Neutrinos zerfällt. Ein Tau-Neutrino (nt) produziert ein Tau (t), das sehr schnell in leichtere Teilchen zerfällt. e ne m e nm e m t nt Neutrino-Oszillation ! Im Teilchenstrahl am CERN werden vor allem Myon-Neutrinos und einige Elektron-Neutrinos produziert. Der Nachweis von Wechselwirkungen von Tau-Neutrinos wäre der direkte Beweis, dass einige der Myon-Neutrinos im Strahl zu Tau-Neutrinos oszilliert sind, was nur möglich ist, wenn die Neutrinos tatsächlich eine Masse besitzen. Tau-Lepton Reaktion p Der positive Nachweis, dass Neutrinos massiv sind, würde einen grossen Einfluss auf unser Verständnis der Wechselwirkung zwischen den Elementarteilchen haben. CERN

Neutrino - Physik Neutrino - Physik CERN Neutrino - Physik CERN Neutrino - Physik Unser Universum hat seinen Anfang im "Big Bang" vor 15 Milliarden Jahren genommen. Seitdem hat es sich kontinuierlich ausgedehnt, wie wir durch Beobachtung der Galaxien gelernt haben. Die Zukunft des Universums hängt von seiner Massendichte ab. Wenn sie gross genug ist, wird die Gravitationskraft das Universum kontrahieren, bis es schliesslich in einem "Big Crunch " endet ("Geschlossenes Universum" ). Auf Grund astrophysikalischer Beobachtungen scheint es, dass der sichtbare Teil des Universums nicht massiv genug ist, um es zu schliessen. Einige der Beobachtungen sind mit dem sichtbaren Teil des Universums nicht zu erklären, z.B. die Bewegung von Galaxien und von Sternen innerhalb der Galaxien. Es scheint, dass es im Universum auch noch unsichtbare Masse gibt, die sogenannte "Dunkle Materie". Woraus könnte die Dunkle Materie bestehen? Ein guter Kandidat wären die Neutrinos, die unsichtbaren Elementarteilchen, die im Big Bang in grosser Zahl produziert worden sind und die sich jetzt frei im Universum bewegen. Angesicht ihrer grossen Anzahl könnten die Neutrinos, auch wenn sie nur eine ganz kleine Masse hätten, einen grossen Einfluss auf die Bewegung der Sterne und der Galaxien haben und die Entwicklung des Universums beeinflussen. CERN

CERN Neutrino - Physik Elektron-Neutrino ne - Detektor zu wenige ! Es gibt ein weiteres ungelöstes Problem : Die Sonne produziert eine grosse Anzahl von Neutrinos. Da sie mit Materie kaum reagieren, haben die Physiker riesige Detektoren gebaut, um den Fluss von Elektron-Neutrinos von der Sonne zu messen. Zu aller Überraschung stellt sich heraus, dass der gemessene Fluss nur halb so gross ist wie erwartet. Eine mögliche Erklärung für dieses Phänomen könnte sein, dass die Neutrinos eine von Null verschiedene Masse hätten und deshalb ihre Erscheinungsform ändern könnten. Zum Beispiel würde sich ein Teil der Elektron-Neutrinos (ne) auf dem Weg von der Sonne zur Erde in Myon- (nm) oder Tau-Neutrinos (nt) verwandeln und so die Erde gar nicht erreichen. Bei CERN sucht man nach massiven Neutrinos durch den Nachweis von Neutrino-Oszillationen. Myon-Neutrinos werden am SPS-Beschleuniger produziert und in Richtung der beiden Neutrino-Experimente CHORUS und NOMAD geschossen, die in 1km Entfernung hinter der Neutrino-Quelle aufgebaut sind. CERN

Das OPERA - Neutrino – Experiment Neutrinos gibt es in drei verschiedenen Typen, Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Sie tragen keine elektrische Ladung, gehören zu der Familie der Leptonen und werden (ne,nm,nt) genannt, entsprechend dem geladenen Lepton (e,m,t), von dem sie in Reaktionen der Schwachen Wechselwirkung begleitet werden. Sie haben eine sehr kleine oder gar keine Masse und bewegen sich deshalb annähernd mit Lichtgeschwindigkeit. Die Grösse der Neutrinomasse spielt eine wichtige Rolle in der Theorie der Elementarteilchen und ist auch wesentlich für das Verständnis der Masse des Universums. Die Reaktionswahrscheinlichkeit ( Wirkungsquerschnitt ) von Neutrinos ist so klein, dass diese grösstenteils die ganze Erde durchqueren können, ohne absorbiert zu werden. In dem Fall, dass Neutrinos eine von Null verschiedene Masse haben, können sich die verschiedenen Neutrino-Typen (ne,nm,nt) ineinander verwandeln. Diesen Effekt nennt man Neutrino-Oszillation, die Oszillationslängen sind bestimmt durch die Neutrinomassen und deren Energie. Man weiss aus anderen Experimenten der Elementarteilchenphysik, dass die Neutrinomassen so klein sind, dass die Oszillationslängen sehr gross sein müssen. Das OPERA-Experiment sucht nach Neutrino-Oszillationen von Neutrinos, die in Genf produziert und in Rom detektiert werden. Am europäischen Teilchen-Beschleuniger SPS des CERN werden Protonen auf hohe Energie beschleunigt. Zunächst werden Pionen erzeugt, welche dann hauptsächlich in Myonen und Myon-Neutrinos nm zerfallen. Die Richtung des Strahls wird so gewählt, dass die Myon-Neutrinos nm das italienische Untergrund-Laboratorium Gran Sasso LNGS in der Nähe von Rom treffen. Dieses Laboratorium befindet sich ca. 1500 m unter der Erdoberfläche und gestattet die Messung von seltenen Ereignissen, weil der Untergrund durch die kosmische Strahlung stark unterdrückt ist. Wenn sich die nm auf ihrer 732 km langen Reise durch die Erde von Genf nach Rom in Tau-Neutrinos nt verwandelt haben, können diese im LNGS detektiert werden. Damit wäre die Neutrino-Oszillation nm zu nt nachgewiesen.