Neutrinophysik: Aktueller Stand und neue Experimente Prof. Caren Hagner Institut für Experimentalphysik Universität Hamburg

Neutrinophysik in unserer Gruppe I: Beteiligung am Neutrinooszillationsexperiment OPERA im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Detektortechnologie: Opera: Hochauflösende Emulsionen Hamburger Beitrag zu Opera: Muonspektrometer aus Driftröhren

Neutrinophysik in unserer Gruppe II: Tests und Vorstudien, eventuell Beteiligung am Reaktorneutrino-Oszillationsexperiment Double-CHOOZ Detektortechnologie: Flüssigszintillator und Photomultiplier θ13?

Stand der Neutrinophysik: Neutrinooszillationen wurden in zwei Bereichen nachgewiesen: Solare Neutrinos und Reaktorneutrinos ve → vμ mit Δm2 ≈ 8·10-5 eV2 Atmosphärische Neutrinos und Beschleunigerneutrinos vμ → vτ mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2 Neutrinos besitzen Masse! Mleichtestes v < 2eV

Neutrinomassen und Neutrinomischung 3 massive Neutrinos: ν1, ν2, ν3 mit Massen: m1,m2,m3 Flavor-Eigenzustände ≠ Massen-Eigenzustände Neutrinomischung! PMNS Neutrinomischungsmatrix → vgl. im Quarksektor: CKM-Matrix

Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors) mit Neutrinooszillationen misst man: Massendifferenzen und Mischungswinkel Überlebenswahrscheinlichkeit: 1 2 3 L in Losz L/E Plot anfertigen!, Bei grossem L/E Aufloesung wichtig

Neutrino Mischung: Parametrisierung Θ23: 34o - 58o Atmosphärisch und Beschleuniger θ13, δ ?? unbekannt ! Solare und Reaktor-Exp. θ12: 29o - 39o Unterschied zu Quarks: Zwei Winkel sind fast maximal! Bedeutung? Falls Majorana-Neutrino: 2 zusätzliche CP-Phasen

Das OPERA Experiment Ziel: Direkter Nachweis der Tau-Neutrinos in vμ → vτ Oszillationen mit Δm2 ≈ 2·10-3 eV2 Bei atmosphärischen Neutrinooszillationen und bei Oszillationen von Beschleunigerneutrinos wurde bisher nur das Verschwinden von Muon-Neutrinos beobachtet Muon-Neutrinos: CERN Neutrinostrahl Tau-Neutrinos: Nachweis mit OPERA Detektor im Gran Sasso Labor Start: 2006

Der Neutrinostrahl am CERN

Der Neutrinostrahl am CERN

Der CNGS Neutrinostrahl Cern zum Gran Sasso: 732km, <Ev> = 17GeV

Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) 150 km von Rom Halle C: Borexino und Opera Neutrinos vom CERN Rom Autostrada Teramo

Nachweis der Tau-Neutrinos τ Herausforderung: Nur ca. 10 vτ Ereignisse in 5 Jahren!

Wechselwirkung von Myon-Neutrinos Hadronen Kern Myon-Neutrino

Wie unterscheidet man Tau-Neutrinos? Tauon zerfällt τ = 300ps Nur ca. 0.6mm Tauon Hadronen Tau-Neutrino Kern

OPERA: Emulsions-Technik

Emulsion simulation

Emulsion simulation

Emulsion simulation

Emulsion simulation

Emulsion simulation

Emulsion simulation

OPERA: Emulsion

Beitrag der Uni Hamburg: Muon Spektrometer

Uni Hamburg: Muon Spektrometer 1 Modul aus 8m langen Driftröhren Teststand für Prototyp

Möglichkeiten für Diplomarbeiten: Charakterisierung der Driftröhreneigenschaften, insbesondere Ortsauflösung Spurrekonstruktion am Opera-Muonspektrometer (Teststände und Opera-Detektor) Entwicklung eines Monitorsystems für das Opera-Muonspektrometer Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für die Produktion der Driftröhren Dazu auch Möglichkeiten: MC Simulation der Neutrino WW im Opera-Detektor Untersuchung des Charm Untergrundes

Das Double-CHOOZ Experiment Ziel: Messung des bisher noch unbekannten Neutrinomischungswinkels θ13 Bisher nur bekannt: sin22θ13 < 0.2 (90%CL) vom CHOOZ Experiment Methode: Suche nach dem Verschwinden von Reaktorantineutrinos in ca. 1km Entfernung vom Reaktor. Messung des Neutrinoflusses mit identischem Detektor bei ca. 100-200m Entfernung vom Reaktor

Wie kann man θ13 messen? e e,, Reactor experiments clean measurement of θ13 with D1 = 100 m D2 = 1 km e e,, Damit ist Verbesserung auf: sin22θ13 ≤ 0.032 (90%CL) möglich

Double CHOOZ 1050 m 100-200 m Chooz-Near Chooz-Far Type PWR Cores 2 Power 8.4 GWth Couplage 1996/1997 (%, in to 2000) 66, 57 Constructeur Framatome Opérateur EDF Chooz-Near Chooz-Far Near site: D~100-200 m, overburden 50-80 mwe Far site: D~1.1 km, overburden 300 mwe Th. Lasserre

Nachweis der Reaktor-Antineutrinos Ev > 1.8 MeV promptes Ereignis: Ev – 0.77 MeV 200μsec verzögertes Ereignis: n-Einfang an Gd dabei 8MeV γ-Emission

Detektor bei 1.05 km Halle existiert schon 7 m  - target: 80% dodécane + 20% PXE + 0.1% Gd (r=1,2m, h = 2,8m, 12,7 m3) -catcher: 80% dodécane + 20% PXE (r+0,6m – V= 28,1 m3) 7 m Non-scintillating buffer: scintillateur+quencher DMP (r+0.95m, , V=100 m3) Th. Lasserre

Double-CHOOZ Programm: Im Moment Proto-Kollaboration Finanzierung in Frankreich, Deutschland, Italien, USA? Falls erfolgreich, Start ca. 2007-2008 Interesse von mehreren deutschen Universitäten und Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg Interessante Möglichleit der Reaktorüberwachung (IAEA)

Möglichleiten für Diplomarbeit: Aufbau eines Teststandes für den Gd-geladenen Szintillator und Photomultiplier Studien zum Untergrund beim Double-CHOOZ Experimentes Entwicklung eines Kalibrationssystems für den DCHOOZ Detektor Studien zur Bestimmung von θ13 und CP-Verletzung in Neutrinooszillationsexperimenten

Ausblick Offene Fragen in der Neutrinophysik: Wie groß ist die Masse des leichtesten Neutrinos? (Trtium-β-Zerfall, Kosmologie, 0vββ-Zerfall) welche Hierarchie? Majorana oder Dirac Neutrino? Wie groß ist θ13? Gibt es CP-Verletzung im Leptonsektor? … Hilfe willkomen!

ENDE

Beste Grenze für Θ13 vom CHOOZ-Experiment M. Apollonio et. al., Eur.Phys.J. C27 (2003) 331-374 Pth= 8.5 GWth, L = 1,1 km, M = 5t Im Untergrund: 300 mwe for m2atm = 2×10-3 eV2 sin22θ13 < 0.2 (90% C.L) Target: 5t Gd geladener (0.09%) Szintillator