Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen DPG-Frühjahrstagung Heidelberg 6. März 2007 Walter Winter Universität Würzburg TexPoint fonts used in EMF: AAA

DPG Frühjahrstagung - W. Winter Inhalt Einführung Drei-Flavor Neutrinooszillationen Auf dem Weg zur Präzisionsmessung Wofür sind diese Messungen gut? Erweiterte Quark-Lepton-Komplementarität Implikationen für 0nbb-Zerfall Zusammenfassung 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Das Geheimnis der fehlenden Neutrinos Vorhergesagte Elektron-Neutrinorate aus der Sonne (John Bahcall) passte nicht zur Beobachtung (Ray Davis Jr.). Verschwinden die Neutrinos? Oder war das Modell falsch? (1960er bis 90er) Rate der Neutrinos von unten und oben kommend sollte gleich sein Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Hinweis auf einen Flavor-Übergang! (Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos”, 1998) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Wohin sind die Neutrinos verschwunden? Für massive Neutrinos, die mischen: na oszillieren: EZ schwache WW EZ Masse Frequenz Amplitude Baseline: Quelle - Detektor Energie (Pontecorvo, 1957; Maki, Nakagawa, Sakata, 1962) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Neutrinomischung mit drei Flavors (sij = sin qij cij = cos qij) ( ) ( ) ( ) = x Drei Mischungswinkel q13, q12, q23; eine CP-Phase dCP Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos, aber kein Einfluss auf Oszillationen 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

DPG Frühjahrstagung - W. Winter Neutrinomassen Massenhierarchie: Normal oder invertiert? Dirac- oder Majorana-Masse? Zwei unabhängige Massenquadratdifferenzen relevant für Oszillationen: |Dm212 | << |Dm312| Massenspektren: Hierarchisch oder entartet? 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Drei-Flavor-Neutrinooszillationen Atmosphärische Oszillationen: Amplitude: q23 Frequenz: Dm312 Solare Oszillationen: Amplitude: q12 Frequenz: Dm212 Kopplungsstärke: q13 (Super-K, 1998; Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002) Unterdrückter Effekt: dCP Nur obere Grenze bisher! Ohne q13, keine CP-Verletzung messbar und Anordnung der Massen sehr schwer zugänglich (sgn(Dm312)) CP-Verletzung ist Voraussetzung für Baryogenese (Materie-Antimaterie-Asymmetrie) Ist dieser Parameter der Schlüssel? 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Auf dem Weg zur Präzisionsmessung: Neutrino Beams nb? Künstliche Quelle: Beschleuniger (o. Reaktor) na Ferndetektor Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte, Systematik) Baseline: L ~ E/Dm2 (Osz.-länge) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

DPG Frühjahrstagung - W. Winter In Betrieb: MINOS Messung der atmosphärischen Parameter mit hoher Präzision Flavor-Konversion ? Fermilab - Soudan L ~ 735 km Beam line Nahdetektor: 980 t Ferndetektor: 5400 t 735 km 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

DPG Frühjahrstagung - W. Winter Die Jagd nach q13 Beispielszenario; Bänder repräsentieren unbekanntes dCP Neue Generation von Experimenten dominiert sehr schnell! Neutrinofabrik: Reichweite sin22q13 ~ 10-5 - 10-4 (=Oszillationsamplitude) GLoBES 2005 (aus: FNAL Proton Driver Study; Fig. von Brice, Geer, Harris, Winter, 2005) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Appearance-Kanäle: nm ne (Cervera et al. 2000; Freund, 2001; Akhmedov et al., 2004) Kompliziert, enthält aber alle relevanten Informationen: q13, dCP, Massenhierarchie (via A) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Probleme mit entarteten Lösungen Zusammenhängende (grün) oder nicht-zusammenhängende (gelb) entartete Lösungen (best. confidence level) im Parameterraum Beeinträchtigen Messungen Beispiel: q13-Sensitivität Diskrete Entartungen: (d,q13)-Entartung (Burguet-Castell et al, 2001) sgn-Entartung (Minakata, Nunokawa, 2001) (q23,p/2-q23)-Entartung (Fogli, Lisi, 1996) (Huber, Lindner, Winter, 2002) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

DPG Frühjahrstagung - W. Winter Auf dem Weg zur Präzisionsmessung … durch Auflösen der entarteten Lösungen Beispiel: „Magic baseline“ und Neutrinofabrik: L= ~ 3000 km (CP) + ~7500 km (Entartungen) heute Standardkonfiguration einer Neutrinofabrik (ISS-Studie, 2006) (Huber, Winter, 2003) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Warum diese Messungen? Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc. Vorhersagen für q13, q23-p/4, Massenhierarchie, etc. Beispiel: Literaturrecherche für q13 Experimente liefern wichtige Hinweise für Theorie Peak generisch oder voreingenommen? (Albright, Chen, 2006) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Der Traum von der großen Vereinheitlichung Phänomenologischer Hinweis z. B. („Quark-Lepton-Komplementarität“ - QLC) Gibt es eine Größe e ~ qC, die alle Mischungen und Hierarchien erklären kann? Überbleibsel der GUT Lepton- Sektor Quark- Sektor Symmetrie- brechung(en) E GUT e (Petcov, Smirnov, 1993; Smirnov, 2004; Raidal, 2004; Minakata, Smirnov, 2004) e e 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Manifestation von e ~ 0.2 1 VCKM ~ Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen: mu:mc:mt=e4:e3:1, md:ms:mb=e4:e2:1, me:mm:mt=e4:e2:1 Neutrinomassen: m1:m2:m3~e2:e:1, 1:1:e oder 1:1:1 Mischungen UPMNS ~ VCKM+Ubimax? 1 e e3 e2 VCKM ~ Kombination aus e und max. Mischungen? 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Erweiterte Quark-Lepton-Komplementarität Geladene Leptonen- Massenterme Eff. Neutrino- Massenterme vgl. gel. Strom im WW-Lagrangian Rotiert links- händige Felder Generiere alle möglichen (reellen) Ul, Un mit Mischungswinkeln (262.144) Berechne UPMNS und lese Mischungswinkel ab; selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten (2.468) Keine Diagonalisierung notwendig! 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Vorhersagen aus erweiterter QLC Generische Vorhersagen für Mischungswinkel Im Vergleich zur GUT-Literatur: Kein Peak bei sin22q13 ~ 0.04, Einige Modelle mit kleinen sin22q13 ~3.3 10-5 MADE IN WÜRZBURG (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Textur-Kombinationen aus erw. QLC Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). Beispiel: „Diamanten “-Texturen mit neuen Summenregeln, z. B. (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Ist das n sein eigenes Antiteilchen? Dirac- oder Majorana-Massenterme? 0nbb-Zerfall: Testet Majorana-Eigenschaft Rate ~ Kernphysik x |mee| (Heidelberg-Moscow, COBRA, EXO, NEMO, Gotthart, Majorana, etc.) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Komplementarität 0nbb/Long-Baseline Momentan relativ großer Bereich theoretisch erlaubt Insbesondere verschwindende Rate erlaubt (Dm312>0) Synergien mit LBL: z. B. Dm312<0 @ NOvA + Stärkerer 0nbb-Bound = Dirac-Massenterme 0nbb-Zerfallsrate Leichteste Neutrinomasse 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

0nbb-Zerfall und erweiterte QLC Verschwin- dene 0nbb- Rate benötigt Fine-tuning von Phasen Unwahrscheinlich für konkrete Modelle Beispiel: Erweiterte QLC (+ gleichvert. Dirac-like Phasen) |mee| > 0.002 eV für 99% (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

Ausblick: See-Saw-Realisierungen? See-saw zur Erklärung der winzigen Neutrinomasse Kombinatorischer Test von See-Saw-Realisierungen: Teste ~ 3 Billionen Fälle (~ 2 Monate Rechenzeit) Spezialfälle: In der Literatur sind die meisten Fälle nicht berücksichtigt! (MD, MR, Meff i.A. 3x3-Matrizen!) (Plentinger, Seidl, Winter, in Vorbereitung) Mehr von Gerhart Seidl am 16.4. am DESY! VORLÄUFIG! 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter

DPG Frühjahrstagung - W. Winter Zusammenfassung Neutrinophysik auf dem Weg zur Präzisionsphysik Die gemessenen Parameter geben wichtige Hinweise auf zugrundliegende Theorien Performance-Indikatoren für Modelle z. B. q13, Massenhierarchie, q23-p/4, |mee|, … Unter generischen Annahmen wird in den nächsten Jahren der Druck auf den Modellbau erheblich wachsen 06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter