Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen Vorstellungskolloquium im Rahmen des Habilitationsverfahrens Universität Würzburg 8. Januar 2007 Walter Winter TexPoint fonts used in EMF: AAA

Physikal. Kolloqium - W. Winter Inhalt Einführung Drei-Flavor Neutrinooszillationen Experimente mit künstlichen Neutrinoquellen Auf dem Weg zur Präzisionsmessung Wofür sind diese Messungen gut? Ausblick 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter Etwas Historie 1933 Pauli postuliert Neutrino wegen fehlender Energie im Betazerfall Nobelpreise in der Neutrinophysik: 1988 Entdeckung des Myon-Neutrinos (Lederman, Schwartz, Steinberger) 1995 Entdeckung des Neutrinos (Frederick Reines) 2002 Entdeckung kosmischer Neutrinos (Ray Davis Jr., Masatoshi Koshiba) ???? Mass. Neutrinos/Neutrinooszillationen (KATRIN, 2006) (Super-Kamiokande, 1998; Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Das Standardmodell der Elementarteilchen Drei Generationen Fermionen: Drei Neutrinos Neutrinos masselos im Standardmodell Experimentelle Probleme: Neutrinos oszillieren Dunkle Materie, dunkle Energie Physik jenseits des Standardmodells? (Glashow, Salam, Weinberg; ‘t Hooft, Veltman; Gross, Politzer, Wilczek; many many others) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Warum sind Neutrinos so schwer zu fassen? Es gibt sehr viele Neutrinos (z. B. aus der Sonne, Atmosphäre): 70.000.000.000 s-1 cm-2 alleine von der Sonne Aber: Kaum Wechselwirkungen; keine Ladung, keine starke WW Daher: Baue große Detektoren (O(1000 t)) oft tief unter Tage (Background-Reduktion) (SNO) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Woher kommen die Neutrinos? Natürliche Quellen 10-4 10-3 104 103 105 106 107 1010 109 1011 108 1012 keV MeV GeV TeV E [eV] Künstliche Quellen = “man made” 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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 für Oszillationen irrelevant 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter Neutrinomasse Neutrinos sind viel leichter als die Quarks, geladenen Leptonen Zwei Massenquadrat-differenzen relevant für Oszill. : |Dm212 | << |Dm312| Massenhierarchie: Normal oder invertiert? Massenspektren: Hierarchisch oder entartet? 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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 nötig um unsere Existenz rechtzufertigen! (Materie-Antimaterie-Asymmetrie) Ist dieser Parameter der Schlüssel? 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Was wir über Neutrinos (nicht) wissen Gibt es in drei aktiven (=schwach wechselwirkenden) Flavors Neutrino-Oszillationsparameter (1s): Dm212 ~ 8.2 10-5 eV2 +- 5% sin22q12 ~ 0.83 +- 5% |Dm312| ~ (2 – 2.5) 10-3 eV2 sin22q23 ~ 1 +- 7% sin22q13 < 0.14 dCP = ? Massenhierarchie: Normal oder invertiert? Andere Parameter: a1, a2 = ? (Majorana-Phasen) Absolute Neutrino-Massenskala? < 1 eV Massenterme: Dirac oder Majorana? Kleine “Nicht-standard” Beimischungen, wie etwa sterile Neutrinos, Neutrinozerfall etc? LSND-Anomalie? Max. Mischung auf 5s ausgeschl.! Exakt maximale Mischung? (siehe z. B. Bahcall et al, hep-ph/0406294; Super-K, hep-ex/0501064; CHOOZ+solare paper) Nur obere Schranke! 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Wichtige offene experimentelle n-Fragen Absolute Massenskala Wie groß ist q13? Lept. CP-Verletzung? Massenhierarchie? Spektrum astro-physikalischer Neutrinos: Neutrinoteleskope Niederenergie-Neutrinos aus der Sonne: Test des solaren Standardmodells Test der “LSND-Anomalie” Aus der US APS-Studie (2004): “We recommend, as a high priority, a comprehensive U.S. program to determine the character of the neutrino mass spectrum, and to search for CP violation among neutrinos. This program should have the following components: - An expeditiously deployed multi- detector reactor experiment […] - A timely accelerator experiment with [...] sensitivity to the mass hierarchy through matter effects - A proton driver in the megawatt class […] and neutrino super- beam with an appropriate very large detector […]” Forschung der kommenden Jahre: Wie sieht das genau aus? 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Ein Multi-Detektor-Reaktorexperiment … für eine “saubere Messung” von q13 Identische Detektoren, L ~ 1.1-1.7 km Daya Bay, Braidwood, Angra, Triple Chooz? Unbek. Systemtatik wichtig für große Lumi. Double Chooz 3 Jahre NB: Keine Sensitivität auf dCP und Massenhierarchie! (Minakata et al, 2002; Huber, Lindner, Schwetz, Winter, 2003) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Spin-off: Nuclear monitoring Idee: Baue Detektor in Lastwagengröße um “Inventar” eines Reaktors zu überwachen Prinzip: Die Event-Raten nahe eines Reaktors sind hoch, die (Anti-)Neutrinos kann man nicht abschirmen: 0.64 t Detektor 25 m vom Reaktorkern Typische thermische Leistung = 3.46 GW ~4000 Events/Tag für 100% Detektionseffizienz Antineutrino-Rate hängt von Isotop und Zeit ab („Burn-up“-Effekt) Angestrebe Präzision: ~ O(10) kg Anzahl Antineutrinos/Zerfälle hängt von Isotop ab! (Adam Bernstein, LLNL) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Auf dem Weg zur Präzisionsmessung: Neutrino Beams nb? Künstliche Quelle: Beschleuniger, Reaktor na Ferndetektor Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte, Systematik) Baseline: L ~ E/Dm2 (Osz.-länge) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter In Betrieb: MINOS Messung der atmosphärischen Parameter mit hoher Präzision Auftauchen von Neutrinos mit “anderem” Flavor? Fermilab - Soudan L ~ 735 km Beam line Nahdetektor: 980 t Ferndetektor: 5400 t 735 km 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Simulation zukünftiger Experimente GLoBES AEDL „Abstract Experiment Definition Language“ Definiere+modifiziere Experimente AEDL-Dateien User Interface C-Bibliothek, die AEDL-Dateien lädt Funktionalität zur Experimentsimulation Anwendungssoftware wird mit User Interface gelinkt Berechne Sensitivitäten etc. (Huber, Lindner, Winter, 2004) http://www.mpi-hd.mpg.de/ lin/globes/ 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Event-Raten-Berechnung In der Praxis: Sekundärteilchen werden ausintegriert Detektor-Response R(E,E´) E E´ 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter GLoBES 3.0 Release Neue Features: Benutzerdefinierte Systematik (z. B. für Reaktorexperimente) Benutzerdefinierte Priors (z. B. um externe Experimente zu addieren) Nicht-Standard-Physik unterstützt (Huber, Kopp, Lindner, Rolinec, Winter, in Vorbereitung) (Huber, Kopp, Lindner, Rolinec, Winter, to appear) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - 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 (from: FNAL Proton Driver Study; Albrow, …, Winter, et al, 2005) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Perspektiven für die nächsten 10 Jahre 90% CL (solid) 3s (dashed) Bestimmung von Massenhierarchie, CP-Verletzung unwahrscheinlich! (Huber, Lindner, Rolinec, Schwetz, Winter, 2004) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Ultimative Präzision: Neutrinofabrik? (from: CERN Yellow Report ) Myonzerfälle in den geraden Sektionen eines Speicherrings Natürlicherweise zwei Baselines Vorstufe zum Myon-Collider? ~ 1.000.000 Events/Jahr im nm -> nm-Kanal (L=3.000 km) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Appearance-Kanäle: nm ne (Cervera et al. 2000; Freund, Huber, Lindner, 2000; Freund, 2001) Kompliziert, enthält aber alle relevanten Informationen: q13, dCP, Massenhierarchie (via A) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Korrelationen und Entartungen 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) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Welche Baselines, welche Energien? 3000-5000 km gut für CP-Verletzung ~7500 km gut für Massenhierarchie, Entartungsaufl. Benutze zwei Baselines: 4000 km+7500 km, Em > 40 GeV ~600 CPU-hrs $50 Mio.? CP-Verletzung q13-Sens. Fig. aus Huber, Lindner, Rolinec, Winter, 2006. Beitrag zur “International scoping study of a future Neutrino factory and super-beam facility”, 2005-2006 Massenhier. 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Materieeffekte in n-Oszillationen (MSW) Erdmaterie enthält Elektronen, aber kaum m, t Kohärente Vorwärtsstreuung in Materie hat Nettoeffekt auf Elektron-Flavor: Materieeffekte sind proportional zu L und r Hamiltonian im Flavor-Raum: ne, nm, nt nur ne (Wolfenstein, 1978; Mikheyev, Smirnov, 1985) ne nm nt Y: Elektronen-anteil ~ 0.5 (Elektronen pro Nukleon) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Materieprofil der Erde … aus der Sicht eines Neutrinos Kern Innerer Kern (PREM: Preliminary Reference Earth Model) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Materieeffekte: Fluch oder Segen? Wichtig für Massenhierarchie- Bestimmung: Problem für andere Parameter (q13, dCP): Geophysikalische Materiedichte- unsicherheiten (gemessen von seismischen Wellen) ca. 5% Unsicherheit im Materieprofil sgn(F) n Anti-n Dm312>0 + - Dm312<0 Materedichteunsicherheiten in 3D-Mod. ~ 5% (http://cfauvcs5.harvard.edu/lana/rem/mapview.htm) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Leptonische CP-Verletzung CP-Verletzung ~ Antiteilchen haben andere Eigenschaften als Teilchen Test von CP-Verletzung: Vergleich mit CP-konjugiertem Experiment ~ Vergleich Neutrinos – Antineutrinos (in Vakuum): Problem der Erdmaterie: Verletzt CP, CPT (da kaum Positronen in der Erde; ggf. auch asymmetrisches Materieprofil) CP-Verletzung ist nur in Konvolution mit vielen anderen Parametern messbar; prop. zu sin dCP 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Neutrino-Tomographie?! L ~ 7.200 km (v. FNAL) Präzision der mittleren Dichtemessung bei sehr langen Baselines ~ 0.25-0.5% (1s, große q13) (Winter, 2005; Minakata, Uchinami, 2006; Gandhi, Winter, 2006) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Mischung: Quarks versus Leptonen VCKM UPMNS 0.97 0.23 0.004 0.042 0.008 1.00 0.79-0.88 0.47-0.61 <0.20 0.19-0.52 0.42-0.73 0.58-0.82 0.20-0.53 0.44-0.74 0.56-0.8 Grundidee: Gleiche Parameterisierung Ergebnis: Kaum Mischung (Quarks) versus fast maximale Mischung (Leptonen) – Wieso? 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Manifestation von e ~ 0.2 1 UPMNS ~ VCKM+Ubimax ? 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? 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter Erweiterte Quark-Lepton-Komplementarität (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) Nur generische Annahmen: Alle vorkommenden Mischungswinkel Teste von 262.144 Möglichkeiten systematisch: 2.468 davon kompatibel mit momanten Daten Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). Beispiel: „Diamanten “-Texturen mit neuen Summenregeln, z. B. 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Neutrinomasse: Dirac versus Majorana Dirac- oder Majorana-Massenterme? See-saw: Leptogenese: Zerfall der MR Sieg der Materie über Antimaterie See-saw: Erklärt winzige Masse Majorana- Massenterme implizieren schwere MR 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Ist das n sein eigenes Antiteilchen? 0nbb-Zerfall: Testet diese Majorana-Eigenschaft Rate ~ Kernphysik x |mee| (Heidelberg-Moscow, COBRA, EXO, NEMO, Gotthart, Majorana, etc.) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - 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 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

0nbb-Zerfall und erweiterte QLC Verschwin- dene 0nbb- Rate benötigt Fine-tuning von Phasen Unwahrscheinlich für konkrete Modelle Beispiel: Erweiterte QLC (+ best. Phasen- annahmen) |mee| > 0.002 eV für 99% (Plentinger, Seidl, Winter, 2006) 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physik jenseits des Standardmodells: Zukunft 0nbb-Zerfall Neutrino- oszillationen LHC Electroschw. Präzision Bild von Physik jenseits des Standardmodells: SUSY? Baryogenese? See-saw? GUT? Dunkle Materie? Dunkle Energie? … ILC Protonzerfall, … Astrophysik+ Kosmologie Bisher überzeugende Evidenz!? Seltene Zerfälle 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Ausblick - Phänomenologie (subjektive Auswahl) Experiment-Strategien zur Präzisionsmessung der Oszillationsparameter Gibt es weitere Nicht-Standard-Physik in Neutrinooszillationen? Maschinisierter, systematischer Test einer großen Klasse von Modellen Vergleich Quarks-Leptonen: Warum nützt eine präzisiere Bestimmung von UPMNS? Verbindung Neutrinooszillationen-LFV-0nbb-Collider etc. 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter Warum Neutrinos? Neutrinos sind die zweithäufigsten Teilchen im Universum Wenn wir die Neutrinos nicht verstehen, verstehen wir das Universum nicht! 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter Backup 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Neutrino oscillations in vacuum Hamiltonian diagonal in mass space! Applied quantum mechanics! Source of CP violation if dCP not 0 or p Two independent Dm2’s! Oscillation “signature”: Dm2L/E 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Einige “künstliche” Neutrinoquellen Produktion … und Detektion Limitation L <E> Reaktor Systematik 1-2 km ~4 MeV Super-beam Intrinsischer Beam- background 100-2,500 km 0.5 – 5 GeV Neutrino fabrik Ladungs- trennung 700-7,500 km 15-30 GeV b-Beam Radioaktivität 100-2,000 km 0.3 – 10 GeV Für führende atm. Param. Signal prop. sin22q13 Kontamination 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Physikal. Kolloqium - W. Winter Reaktorexperimente Short baseline: q13 Long baseline: q12, Dm212 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter

Erweiterte QLC - Prozedur Geladene Leptonen- Massenterme Neutrino- Massenterme Wechselwirkungs- Lagrangian Generiere alle Möglichen Ul, Un mit Mischungswinkeln Berechne UPMNS und lese Mischungswinkel ab; selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten Generiere Texturen für unterschiedliche Massenhierarchie-Annahmen Keine Diagonalisierung notwendig! 08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter