Vortrag zum Seminar Neutrinophysik SS2005 SOLARE NEUTRINOS von Daniel Bothner

Inhalt 1 Entstehungsprozesse 2 Frühe Experimente 3 Erklärungsmodelle 4 Neuere Experimente 5 Zusammenfassung

Entstehungsprozesse - Bilanzgleichung _______________________________________________________________ Sonne gewinnt ihre Energie durch Kernfusion Bilanzgleichung: Durch zwei Prozesse realisiert: pp-Zyklus (ca. 98,4% der Energie) - CNO-Zyklus (ca. 1,6% der Energie)

Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus _______________________________________________________________ p + p  d + e+ + e p + p + e_ d + e pp, 99,75% pep, 0,25% d + p  3He +  ppI, 86% hep, 0,000024% 3He + 3He  4He + 2p 3He + p  4He + e+ + e 3He + 4He  7Be +  ppII, 14% ppIII, 0,003% 7Be + e_ 7Li + e 7Be + p  8B +  8B  8Be + e+ + e 7Li + p  4He + 4He 8Be  4He + 4He

Entstehungsprozesse – Der CNO-Zyklus _______________________________________________________________

Standardsonnenmodelle basieren auf vier Grundannahmen Entstehungsprozesse – Standard-Sonnenmodelle _______________________________________________________________ Standardsonnenmodelle basieren auf vier Grundannahmen - Hydrostatisches Gleichgewicht - Energietransport durch Strahlung oder Konvektion - Energieerzeugung durch Kernreaktionen - Anfangszusammensetzung wie heutige Photosphärenhäufigkeiten Dazu kommen weitere Eingabegrößen wie - Alter der Sonne, Leuchtkraft, Opazität - Wirkungsquerschnitte der Kernreaktionen Erwartetes Neutrinospektrum bzw. Neutrinoflüsse lassen sich daraus bestimmen

Entstehungsprozesse – Das Spektrum _______________________________________________________________

Entstehungsprozesse – Erwartungen _______________________________________________________________ Erwartete Flüsse in der Größenordnung: ABER: Wirkungsquerschnitt nur ca.: Dies ergibt für die benötigte Anzahl von Targetatomen: Zweckmäßig wird neue Einheit definiert:

Frühe Experimente - Homestake _______________________________________________________________ Seit 1968 von R. Davis 615t Perchlorethylen Häufigkeit von ca. 24% Einfang von Neutrinos an 37Cl 37Cl + e  37Ar + e_ Nachweis des radioaktiven 37Ar 37Ar + e_  37Cl + e (T1/2 = 35 d) Schwellenenergie: 0,814 MeV Misst

Frühe Experimente - Homestake _______________________________________________________________

Frühe Experimente - Homestake _______________________________________________________________

Frühe Experimente - Homestake _______________________________________________________________

Frühe Experimente - Kamiokande _______________________________________________________________ Kamioka Neutrino Detection Experiment seit 1986 Echtzeit-Cherenkov-Detektor 3000t (680t) Wasser mit 948 Photomultipliern (20% Oberfläche) Neutrino-Elektron-Streuung Nur -Neutrinos, da Schwellenenergie: 7,5MeV

Frühe Experimente - Kamiokande _______________________________________________________________

Frühe Experimente - Kamiokande _______________________________________________________________ Ergebnisse: - Neutrinos kommen tatsächlich von der Sonne -

Frühe Experimente – Gallium-Experimente _______________________________________________________________ 3 Experimente seit 1991 Einfang von Neutrinos an 71Ga + e  71Ge + e_ Nachweis des radioaktiven 71Ge + e_  71Ga + e (T1/2 = 11,4 d) Schwellenenergie: 233 keV Erste Experimente, die auch pp-Neutrinos messen können

Frühe Experimente – Gallium-Experimente _______________________________________________________________

Frühe Experimente – GALLEX und GNO _______________________________________________________________ Gallium Experiment und Gallium Neutrino Observatory 110t -Lösung im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

Frühe Experimente - SAGE _______________________________________________________________ Soviet-American Gallium Experiment 60t Gallium in metallischer Form Im Baksan- Untergrundlabor im Kaukasus

Frühe Experimente - Ergebnisse _______________________________________________________________

Senkung der Zentraltemperatur der Sonne Erklärungsmodelle - Ansätze _______________________________________________________________ pp-Neutrinos dürfen nicht wesentlich angetastet werden, da deren Erzeugungsrate eng mit beobachtbarer Leuchtkraft gekoppelt Senkung der Zentraltemperatur der Sonne - niedrigerer Metallgehalt, somit niedrigere Opazität - hohe Rotationsgeschwindigkeit des Kerns - Kosmionen (WIMPs), die zum Energietransport beitragen Änderung der Wirkungsquerschnitte für Kernreaktionen - diese sind nur aus Beschleunigerexperimenten (mit viel höheren Energien) für die Sonne herabextrapoliert Magnetisches Moment der Neutrinos - linkshändige Neutrinos durch das Magnetfeld der Sonne in rechtshändige sterile umgewandelt

Erklärungsmodelle – Ansätze _______________________________________________________________ Probleme: Keines der Alternativ-Modelle scheint geeignet Helioseismologie bestätigt Standardsonnenmodell

Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus _______________________________________________________________ p + p  d + e+ + e p + p + e_ d + e d + p  3He +  7Li + p  4He + 4He 8Be  4He + 4He 8B  8Be + e+ + e 7Be + e_ 7Li + e 3He + 4He  7Be +  7Be + p  8B +  3He + 3He  4He + 2p pep, 0,25% pp, 99,75% hep, 0,000024% ppII, 14% ppI, 86% 3He + p  4He + e+ + e ppIII, 0,003%

Erklärungsmodelle – Ansätze _______________________________________________________________

Erklärungsmodelle – Ansätze _______________________________________________________________

Erklärungsmodelle – Neutrino-Oszillationen _______________________________________________________________ Annahme : Flavoureigenzustände Masseneigenzustände Phänomen von Quarks bekannt Zwingende Voraussetzung für Oszillationen:

Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt _______________________________________________________________ Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein-Effekt: Unterschiedliche Wechselwirkung der Neutrinoflavours in Materie, Elektronen führen zu zusätzlichem Potential für Elektron-Neutrinos Bei langsamer Dichteänderung am Resonanzpunkt: Modifizierter Mischungswinkel:

Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt _______________________________________________________________ ne Unterdrückung 7Be-n

Neuere Experimente - Superkamiokande _______________________________________________________________ Super Kamioka Neutrino Detection Experiment seit 1996 50000t (22000t) Wasser mit 11000 Photomultipliern (40% Oberflächenabdeckung) Durch die Größe bessere Statistik möglich Somit Schwellenenergie nur noch 5MeV Misst nur -Neutrinos

Neuere Experimente - Superkamiokande _______________________________________________________________ Bestätigt die Ergebnisse von Kamiokande Defizit sogar noch größer

Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ Sudbury Neutrino Observatory seit 1999 1000t schweres Wasser mit 9800 Photomultipliern 7500t reines Wasser zur Abschirmung

Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ Erstmals Bestimmung des totalen Neutrinoflusses möglich Schwellenenergie: 5MeV also auch nur -Neutrinos Erstmals direkte Untergrundbestimmung möglich durch Wassertausch

DAS SOLARE NEUTRINOPROBLEM SCHEINT GELÖST Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ Ergebnisse: DAS SOLARE NEUTRINOPROBLEM SCHEINT GELÖST

LMA-Neutrinooszillationen (MSW-Effekt) bestätigt mit Neuere Experimente - SNO _______________________________________________________________ LMA-Neutrinooszillationen (MSW-Effekt) bestätigt mit

Neuere Experimente - KamLAND _______________________________________________________________ Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector seit 2001 3000t Flüssigszintillator mit 2000 Photomultipliern Misst Antielektron-Neutrinos aus Reaktoren über Schwellenenergie: 1,8MeV

Neuere Experimente - KamLAND _______________________________________________________________ Ziel: Verifizierung der LMA-Lösung aus solaren Experimenten Mittlere Reaktorentfernung: 180km Vakuumoszillationslänge der 5MeV Neutrinos mit LMA-Parametern: Test möglich!

KamLAND bestätigt LMA-Lösung Neuere Experimente - KamLAND _______________________________________________________________ L0 =180 km KamLAND bestätigt LMA-Lösung Wichtiges Ergebnis: Disappearance bestätigt Zerfall/Dekohärenz der Neutrinos ausgeschlossen Erstmals Reappearance bestätigt

Neuere Experimente - Ergebnisse _______________________________________________________________

Zusammenfassung _______________________________________________________________ Neutrinos entstehen in der Sonne durch pp- und CNO-Zyklus Spektrum durch SSM berechenbar Erste Experimente (Homestake, Kamiokande, Gallium-Experimente) zeigten Defizit Viele Erklärungsmodelle nicht zutreffend Neutrino-Oszillationen und MSW-Effekt vorgeschlagen Neuere Experimente (Super-K, SNO, KamLAND) bestätigen Neutrino-Oszillationen und LMA-Lösung