Astroteilchen- und Neutrinophysik 30.1.2015 Lerne über Astrophysik mit Teilchen statt mit Licht im sichtbaren Bereich Lerne über Teilcheneigenschaften ohne Nutzung von irdischen Beschleunigern Suche dominante dunkle Komponenten der Materie und Energie im Kosmos

…. und in Mainz ? Die wichtigsten Themenbereiche sind: Neutrinos: hohe Energien Dunkle Materie niedrige Energien Die wichtigsten Themenbereiche sind: Neutrinophysik bei hohen, mittleren (Böser, Köpke) sowie niedrigen Energien (Wurm) Direkte Suche nach dunkler Materie (Oberlack) in einem Untergrundlabor Entwicklung neuer Nachweisdetektoren Viele Querverbindungen … Theoretische Klammer: Joachim Kopp (THEP)

Offene Fragen der Kosmologie Was ist die Natur von 95% des Kosmos? Besteht dunkle Materie aus neuartigen, schwach wechselwirkenden Teilchen? Spielen Neutrinos eine Rolle? „Wind“ dunkler Materieteilchen ~ 300.000 m/s nachweisbarer Rückstoß

Das Rätsel der dunklen Materie Evidenz auf vielen Skalen, z.B. Rotationskurven von Galaxien (~ 1021 m): was wir über Dunkle Materie wissen: wechselwirkt über Gravitation ist stabil (oder sehr langlebig) ist elektrisch neutral ist nicht-baryonisch ist kalt” oder “warm”, nicht “heiß” erfordert: “neue Physik” und “neue Teilchen z.B. supersymmetrische Neutralinos Rotationskurven naher Galaxien (Sofue & Rubin ARAA 2001) Weitere Evidenzen: Bewegung von Galaxienhaufen (~1022 m) kosmische Hintergrundstrahlung (1026 m)

Dunkle Materie im Untergrundlabor Nur 1 Ereignis pro Tonne und Tag erwartet → Untergrund muss extrem niedrig sein !! Funktionsweise (schematisch) Photosensoren Xenon Gas Flüssiges Xenon 3500 kg Flüssiges Xenon Empfindlich auf Massen zwischen 10 und 2000 GeV/c2 Nächster Schritt: XENON1t

Simulation: dunkle Materie in Milchstraße Dunkle Materie „klumpt“ in Galaxienzentren, Zwerggalaxien, Sonne und Mond → dort vernichten sich Dunkle Materieteilchen und erzeugen γ‘s, e+/- und ν‘s → „Compton-Kamera“ für neues Satellitenprojekt (Oberlack) → Suche nach Neutrinoüberschuss (Köpke)

Offene Fragen der Neutrinophysik Mit dem Higgs-Teilchen ist das Standardmodell der Elementarteilchen komplett … oder? Nein! Dies gilt nicht für die Neutrinos! Wir kennen weder die absoluten Neutrino-Massen, noch deren Reihenfolge Es ist unklar, wie Neutrinos ihre Masse erhalten … und warum diese so klein ist Bislang sind nur linkshändige Neutrinos bewiesen, gibt es auch rechthändige? Sind Neutrinos verantwortlich für das Fehlen von Antimaterie in der Natur?

Messungen bei niedrigen bis hohen Energien JUNO DeepCore PINGU Neutrinophysik v Oszillationen v Massenreihenfolge CP Verletzung Beobachtung astrophysikalischer Quellen Supernovae, Sonne, Erde Neutrinos Physik jenseits des Standardmodels z.B. sterile Neutrinos Borexino IceCube (SN) SOX (IceCube)

Neutrinooszillationen n Erzeugung n Propagation n Nachweis Veränderte Überlagerung der Massenzustände  anderer Neutrinoflavor beim Neutrinonachweis z.B. β+-Zerfall Propagiert als Überlagerung von Massenzustände . e+ ν1 ν1 ν2 ν3 ν? νe ν2 ν3 Schwache Wechselwirkung, Neutrino erzeugt als Flavorzustand. Unterschiedliche Massen erzeugen Phasendifferenz

Frage 1: Zusätzliche sterile Neutrinos? Mehrere Experimente sehen Hinweise für Oszillationen bei sehr kurzen Abständen. n Erzeugung n Propagation n Nachweis Sterile Neutrinos sind nicht direkt nachweisbar  erzeugen Defizit in beobachteter Rate! z.B. β+-Zerfall Neutrino ist dann Überlagerung von 4 Massenzuständen . e+ ν1 ν1 ν2 ν3 νs νe ν2 ν3 ν4 ν4  Viertes leichtes ν wäre erstes Teilchen jenseits des Standardmodells!

Frage 2: Anordnung der Neutrinomassen? Eine „Achselzuckenfrage“? Nein: wichtig für zukünftige Experimente zur CP-Verletzung (Asymmetrie von Materie/Antimaterie) Modelle für Neutrinomassen-Erzeugung „Normale“ Anordnung Ist die Hierarchie normal oder invertiert? „Invertierte“ Anordung Ideal wären zwei Experimente: JUNO → Reaktorneutrinos PINGU → Atmosphärische Neutrinos

Offene Fragen der Neutrinoastronomie Was und wo sind die Quellen der hochenergetischen kosmische Strahlung? Spielen schwarze Löcher im Zentrum von Galaxien dabei eine Rolle? Kann man konzentrierte dunkle Materie in Mond, Sonne und Galaxien sehen? Was passiert während des Kollapses schwerer Sterne? Ursprung nicht (wirklich) bekannt, da Magnetfelder geladene Teilchen ablenkt Energien bis zu 100.000.000 mal höher In menschengemachten Beschleunigern

Neutrinos aus dem All 420 Mt Masse im „Testvolumen“ (~1/3) 4 Sensitivität für e, ,  > 50 TeV

IceCube – weiterer Ausbau 1km3 instrumentiertes Eis am Südpol In Planung: Erniedrigung der Schwelle auf einige GeV (PINGU) Vergrößerung von IceCube auf das 5-10-fache Oberflächendetektor als Veto Mainz: Neue Detektorkonzepte