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Übersicht
• Solare Neutrinos: Erzeugung und Problematik
• Darstellung der experimentellen Detektionsmöglichkeiten
• Neutrinooszillation• Zusammenfassung und Ausblick
Neutrinos: Übersicht der Eigenschaften
Spin: ½Masse: 0 (??)Geschwindigkeit: c (??)Verschiedene Flavors(ve,vµ,vτ)Extrem geringe Wechselwirkungsrate mit Materie: σ=10−42 cm2
Energieerzeugung in der Sonne:Der Proton-Proton-Zyklus und CNO-Zyklus
In der Sonne wird Energie durch Kernfusion erzeugt:
4p ⇒ 4He + 2e+ + 2νe + 26,73 MeV98,4 %
1,6 %
CNO-Zyklus
Deuteriumproduktion
Auf diesem Wege fusionieren99,75 % des Wasserstoffs zu Deuterium.Eν≤0,42 MeV
p(e)p-NeutrinosAuf diesem Wege fusionieren0,25 % des Wasserstoffs zu Deuterium.Eν=1,44 MeV
HeliumproduktionWahrscheinlichkeit:2,4*10-5 %
Eν<18 MeVgeringer Fluß„hep-Neutrinos“
2)
Wahrscheinlichkeit:14 %3)
Überschlagsrechnungpro Zyklus wird 26,73 MeV Energie frei.
davon entfallen 2% auf Neutrinos, also bleiben 26,14 MeV für Photonen übrig. Da pro Zyklus 2 Neutrinos entstehen, entspricht 1 Neutrino 13 MeV Photonenenergie
Bekannt ist die Solarkonstante: S=8,5.1011 MeVcm-2s-1
Daraus folgt:
Experimente1. radiochemische Experimente:
radioakt. Tochterkern, der mit „sinnvoller“ Halbwertszeit zerfällt.
2. realtime Experimente:Nachweis der Elektronen aus Elektron-Neutrino Streuung über Cherenkov-Strahlung
Vorteil: Information über Richtung, Einfallzeit, Energie bleibt erhalten
Das Chlor-Experiment•Start Anfang 1968 bis heute
37Cl + νe ⇒ 37Ar + e-
•Nachweis über:
37Ar ⇒ 37Cl + e+ + νe-
•Schwellenergie: 0,81 MeV•Halbwertszeit: 35 Tage
Homestake Mine in South-Dakota
Aufbau des 37Cl-ExperimentsFüllung des Tanks: 615t C2Cl4
24 % des natürlichen Chlors ist37Cl, also 2,2 x 1030 Cl-Atome verfügbar
Also entspricht eine Rate von1 Ar Atom pro Tag: 5,35 SNU
Ergebnis: Vorhersage: [Bah92]Φ= 2,56 ± 0,22 SNU Φ=8,0 ± 3,0 SNU
Problem!!
GALLEX/SAGE•Start 1991•Reaktion:
71Ga +νe ⇒ 71Ge +e-
•SAGE: 60t Ga•GALLEX 30t Ga
Ergebnisse:
GALLEX: SAGE:69,7 ± 6,7 (stat) SNU 69 ± 10 (stat) SNU
Funktionsweise GALLEX/SAGE
• Schwellenergie:233 keV ⇒ Μessung von pp-Neutrinosmöglich
• Eichquelle: 2 MCi 51Cr – Quelle
• Extraktion über GeH4 undProportionalzähler
Vergleich mit Theorie
GALLEX: Davis:69,7 ± 6,7 (stat) SNU 2,56 ± 0,22 SNU
1 SNU = 10-36 Einfänge pro Atom und Sekunde
SuperKamiokande
Echtzeit-Experiment
•Ort: 1.000 m unter N.N. in der Kamioka Mine in Japan
•Messung der Cherenkov-Strahlung durch 11.200 Photomultiplier (Flächenabdeckung 40 %) in 32.000t Wasser
•Behältergröße: ca 40m x 40 m (Zylinder)
•Schwellenergie 5 MeV ⇒ 8B Neutrinos
•Ergebnisse:
Φ(8B)= 2,4 ± 0,08 106 cm-2 s-1
das entspricht 46 % der Vorhersage !!
Reaktionen im SNO
Möglichkeit, sowohl den Gesamt-fluß (NC), als auch νe-Fluß (CC)zu messen.
Test der Neutrinooszillations-hypothese
Ergebnisse des SNO (2001) in 106 cm-2 s-1
ΦCC(8B)=1,75 ± 0,07 -0,11+0,12
stat sys
ΦES(8B)=2,39 ± 0,34 -0,14+0,16
stat sys
∗ΦES(8B)=2,32 ± 0,03 -0,07 SuperKamiokande+0,08
stat sys
*S.Fukuda, et al., Hep-ex 0103032
Vergleich der Ergebnisse
Die Differenz der Flüsse ist ein starkes Indiz für eine Neutrinoumwandlung auf dem Weg zwischen Sonne und Erde !!
Ergebnisse 2002 in 106 cm-2 s-1
ΦCC(8B)=1,76 +0,06 +0,09
stat sys-0,05 -0,09
ΦES(8B)=2,39stat sys
+0,24 +0,12
-0,23 -0,12
Theorie:
Φ(8B)=5,05+1,01
-0,81ΦNC(8B)=5,09stat sys
+0,44 +0,46
-0,43 -0,43
Neutrinooszillation
Annahme:Der Flavoreigenzustand |νe,µ,τ> ist nicht identisch mit dem Masseneigenzustand |νi>:
Flavors können ineinander umgewandelt werden.
Dazu Voraussetzung:
• Neutrinos haben eine Masse
• Diese Masse ist für jeden Masseneigenzustand unterschiedlich.
|
Neutrinooszillation bei 2 Flavors
Es gilt also: |f>=Uν |m>
Flavor Masse
ΘΘ−ΘΘ
=νν
ννν
cossinsincos
U
Θν=Vakuummischungswinkel
Zeitliche Entwicklung
Abhängigkeit von 2 Parametern:
1. Vakuummischungswinkel θν
2. EnergiedifferenzUnter Annahme gleicher Impulse, kann ∆E auch durch die Massendifferenz ausgedrückt werden:
Em
EmmEE
22
221
22
12∆
=−
=−
Zusammenfassung
• Resultate der Ga/Cl-Experimente stehen im Wiederspruch zum SSM (50% weniger Neutrinos als erwartet kommen an)
• Nach SNO-Experiment deutet alles auf eine Neutrinooszillation hin, weitere Experimente (2002/2003) werden sicherere Erkenntnisse liefern
• immer noch Probleme und Unsicherheiten (Tag/Nacht-Differenz etc.)
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