V. Neutrinomassen und Neutrinooszillationen 5.1. Neutrinooszillationen Standardmodell enthält noch unnötige Annahmen: Leptonzahlen sind einzeln erhalten Neutrinos werden künstlich exakt masselos gesetzt Experiment  a) und b) verletzt!  CKM-Formalismus auch für Leptonen (Neutrinos) Flavour-Dynamik und Leptonzahl-Dynamik Flavour-Oszillationen und Lepton-Oszillationen genauer Neutrino-Oszillationen CP-Verletzung auch im Neutrino-Sektor

  Analogon zum Cabibbo-Winkel Beispiel: Betrachte nur zwei Neutrino-Sorten: Massen-Eigenzustände 1, 2 Massen m1, m2 Schwache Eigenzustände e,  z.B. via     Unitäre Transformation:   Analogon zum Cabibbo-Winkel

Ausschmierung durch experimentelle Auflösung Experimentelle Ansätze: Sensitivitätsbedingung für Nachweis von Oszillationen: Sensitivitätsbedingung für m2: sonst Ausschmierung durch experimentelle Auflösung nur sensitiv auf 

i) DisappearanceExperimente: Quelle Detektor Fluss Q bekannt Fluss D wird gemessen ii) AppearanceExperimente: Quelle Detektor Fluss Q bekannt

Neutrino-Quellen: Kernkraftwerke atmosphärische Neutrinos innere Erde aktive galaktische Kerne Teilchenbeschleuniger unsere Sonne Supernovae -Quelle -Typen E / MeV L / km m2|min / eV2 Reaktor 110 0103 105 Beschleuniger 103105 102103 103 Atmossphäre 102104 0104 105 Sonne 0,110 108 1012

Ethermisch  Solarkonstante: 5.2. Solare Neutrinos Haupt-Fusionsreaktion in unserer Sonne: Ethermisch  Solarkonstante:  Neutrinosfluss auf der Erde: Detailliertes Modell: Standard-Sonnen-Modell SSM

Reaktionen mit e-Produktion im SSM Reaktion Abk.  (cm2 s1)  Gesamtfluss bekannt mit 1,2% Genauigkeit!

Spektrum solarer Neutrinos im SSM

Experimentelle Techniken: Nachweis von Kernumwandlungen Realzeit-Streuexperimente Tieftemperaturdetektoren radiochemischer / geochemischer Nachweis (Schwer-)Wasser-Target  hohe Energieschwelle Flüssigszintillator-Target  niedrige Energieschwelle Einheit für den gemessenen Neutrinofluss: SNU (Solar Neutrino Unit) 1 SNU  1036 -Einfänge pro Sekunde und Targetkern

Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos) Das Pionier-Experiment (Ray Davis Jr., Homestake): Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos) Detektormaterial 37Cl (Reinigungsmittel): Argonnachweis: -Strahlung nach K-Einfang Davis-Experiment: 500 Tonnen Detektormaterial 1-3 Reaktionen pro Monat Resultat: e-Fluss  ⅓  FlussTheorie Mögliche Gründe: Sonnenmodell falsch? Berechneter Neutrinofluss ist extrem sensitiv auf Kerntemperatur der Sonne! Neutrinooszillationen?

Resultate für solare e-Flüsse auf der Erde Reaktion Schwelle Fluss SSM-Vorhersage 37Cl  37Ar 814 keV 2,6 SNU 8,0 SNU 71Ga  71Ge 233 keV 70 SNU 125 SNU e e  e e 57 MeV 2,35106 cm2s1  8B   5,7106 cm2s1 233 keV 814 keV Klares Defizit von solaren Elektron-Neutrinos bei allen Energieschwellen  e-Oszillation 5 MeV

Direkter Nachweis der solaren eOszillation Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Target: D2 O (schweres Wasser) Schwellenenergie: 1-2 MeV  X exklusiv von 8B  8Be e e  Reaktionen: Charged Current (CC): Neutral Current (NC): Elastic Scattering (EC): e e W n p X Z n,p p,n e X Z e e W

Lösung des solaren Neutrino-Problems Vorhersage SSM

Bestätigung: KamLAND-Experiment mit von Kernkraftwerken ( L  1001000 km )

kosmische Strahlung (p) 5.3. Atmosphärische Neutrinos Untergrund-Detektor ,e ,e Luftschauer Erde kosmische Strahlung (p)

mehr positive als negative -Entstehung in hadronischen Luftschauern mehr positive als negative Kern in Atmosphäre kosmische Strahlung Im Detektor: Signatur Erwartung:

Das Pionier-Experiment: Super-Kamiokande Untergrund Wasser-Cherenkov-Detektor (Kamioka-Mine)   Č-Licht e Č-Licht e.m. Schauer Juni 1998: Definitiver Nachweis von Neutrinooszillationen  verschwinden, e werden nicht zusätzlich erzeugt also:    oder   X 90% C.L.: Dezember 2002: Nobelpreis (für astrophysikalische Neutrinos)

✔ Oszillation  auf dem Weg durch die Erde -Fluss „von oben” e-Fluss wie erwartet -Fluss „von unten” zu klein

Beobachtung der LE-Abhängigkeit des -Defizits und Interpretation als  Oszillation

Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Bestätigung: -Disappearance mit long-baseline Beschleuniger- Experimenten ( L  250735 km ) atmosphärisch

Experimenteller Stand Neutrino-Oszillationen Atmosphärische Neutrinos Long Baseline -Exp. Solare Neutrinos Reaktor-Neutrinos Linien: Ausschlussgrenzen Flächen: Messungen

Spektrum der Neutrino-Masseneigenzustände   1 2 3 oder „invertiert”:

5.4. Experimente zur Neutrinosmasse -Zerfall: E0 Ee Kurie-Plot K(Ee) E0m

Abbrems-Target und Signal-Szintillator Zerfall ruhender Pionen: p vom Zyklotron Target    zum Spektrometer  Veto-Szintillator Abbrems-Target und Signal-Szintillator

-Zerfall: had had im -Ruhesystem  m mhad

L  2  Majorana- Doppel--Zerfall: E2e Ist e ein Dirac- oder ein Majorana-Teilchen? Ist e ein massives Teilchen? Existieren rechtshändige e-Ströme? Normal: L  0 Neutrinolos: L  2  Majorana- E2e Endpunkts-Energie

Neutrinoloser Doppel--Zerfall auf dem Quarkniveau:   rechtshändiger geladener Strom Majoranamasse  Chiralitätsflip oder andere neue Physik  stets folgt Existenz von Majorana- Effektive Majoranamasse (Mittelwert, gewichtet mit relativen Beiträgen leichter Majorana-Neutrinos):