Sonne und Neutrinos

Physikalisches Proseminar (SS 08)Johann Walter

Universität Bielefeld25.06.2008

25.06.2008 Sonne und Neutrinos - Johann Walter

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Inhalt

Historischer Einstieg

Warum sind Neutrinos interessant?

Solare Neutrinos

Detektion solarer Neutrinos

Neutrinooszillationen, neuere Experimente

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Historischer Einstieg

Beta-Zerfall (historisch):

verletzt Energieerhaltung

verletzt Impulserhaltung

verletzt Drehimpulserhaltung

eYX AZ

AZ 1

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Historischer Einstieg

Lösung für ß--Zerfall: analog für ß+-Zerfall: Eigenschaften des sog. „Neutrinos“ (ital.: kleines Neutron):

elektrische Ladung: 0 Spin: ½ Masse ist (fast?) Null neue Erhaltungsgröße mit Leptonenzahl ±1

Erster Nachweis 1956 (C. Cowan, F. Reines)

eA

ZAZ eYX

1

eA

ZAZ eYX

1

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Was macht Neutrinos interessant? Neutrinos unterliegen nur der schwachen WW (und der

Gravitation)

Interesse der Astronomie: Neutrinos entstehen bei Kernprozessen (Sterne, Supernovae) und Teilchen-WW (atmosphärische Streuprozesse, kosmische Beschleuniger)

keine Ablenkung, somit direkte Boten der Ereignisse

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Spektrum der solaren Neutrinos3 grobe Klassen von Neutrinos

85% unter 422keV

(pp-Neutrinos)

~15% durch Zerfall von 7Be

~0,015% hochenergetische Neutrinos bis 14MeV durch Zerfall von 8B

eeHepp 21

eeHpp 2

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Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 1. Nachweis solarer Neutrinos Ende der 60er durch Ray Davis

(Nobelpreis 2002)

basiert auf der Reaktion:

Nachweisschwelle: Eν ≥ 814 keV

Homestake-Mine, Minnesota

wenige (<10) Ereignisse pro Tag!

eArCl e3737

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Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 1. Nachweis solarer Neutrinos Ende der 60er durch Ray Davis

(Nobelpreis 2002)

basiert auf der Reaktion:

Nachweisschwelle: Eν ≥ 814 keV

Homestake-Mine, Minnesota

wenige (<10) Ereignisse pro Tag!

Ergebnis des Experimentes:

Nur ca. ein Drittel des erwarteten Neutrinoflusses konnte registriert werden!

eArCl e3737

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Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch ‚GALLEX‘ (Italien, Gran-Sasso-

Tunnel) und ‚SAGE‘ (Kaukasus), 80er Jahre

ähnliche Reaktion:

Nachweisschwelle: Ev ≥ 234 keV (auch pp-N. werden erfasst)

eGeGa e7171

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Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch ‚GALLEX‘ (Italien, Gran-Sasso-

Tunnel, 80er) und ‚SAGE‘ (Kaukasus)

ähnliche Reaktion:

Nachweisschwelle: Ev ≥ 234 keV (auch pp-N. werden erfasst)

Ergebnis: Auch hier wurden nur ca. 60% der erwarteten solaren Neutrinos

beobachtet!

eGeGa e7171

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Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch ‚GALLEX‘ (Italien, Gran-Sasso-

Tunnel, 80er) und ‚SAGE‘ (Kaukasus)

ähnliche Reaktion:

Nachweisschwelle: Ev ≥ 234 keV (auch pp-N. werden erfasst)

Ergebnis: Auch hier wurden nur ca. 60% der erwarteten solaren Neutrinos

beobachtet!

→ solares Neutrinodefizit

eGeGa e7171

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Experimentelle Nachweise solarer Neutrinos 2. Nachweis von solaren Neutrinos durch ‚GALLEX‘ (Italien, Gran-Sasso-

Tunnel, 80er) und ‚SAGE‘ (Kaukasus)

ähnliche Reaktion:

Nachweisschwelle: Ev ≥ 234 keV (auch pp-N. werden erfasst)

Ergebnis: Auch hier wurden nur ca. 60% der erwarteten solaren Neutrinos

beobachtet!

→ solares Neutrinodefizit

mögliche Lösung: Neutrinooszillationen (Neutrinos mit m>0)

eGeGa e7171

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Neuere ExperimenteSudbury Neutrino Observatory (SNO), Kanada

1000 t schweres Wasser (D2O) 10.000 Photomultiplier 18 m Durchmesser Ev ≥ 5 MeV

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Neuere ExperimenteSuper Kamiokande (SK), Japan 50.000 t reines Wasser (H2O) 11.420 Photomultiplier Ev ≥ 5 MeV

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Funktionsweise von SNO und SK Charged Current (nur SNO): nur für ve möglich e- trägt den Großteil der Energie Gute Information über spektrale Verteilung der v

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Funktionsweise von SNO und SK Charged Current (nur SNO): nur für ve möglich e- trägt den Großteil der Energie Gute Information über spektrale Verteilung der v

Neutral Current (nur SNO): für alle Neutrinosorten (vx) möglich

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Funktionsweise von SNO und SK Charged Current (nur SNO): nur für ve möglich e- trägt den Großteil der Energie Gute Information über spektrale Verteilung der v

Neutral Current (nur SNO): für alle Neutrinosorten (vx) möglich

Elastischer Stoß: Wenig Aussage über Spektrum, aber gute

Information über Richtung der v

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Ergebnisse von SNO und SK

SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an ve

ein Drittel ve: 1,76Mio (cm s)-1

zwei Drittel vµ und vτ: 3,41Mio (cm s)-1 für Ev ≥ 5 MeV

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Ergebnisse von SNO und SK

SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an ve

ein Drittel ve: 1,76Mio (cm s)-1

zwei Drittel vµ und vτ: 3,41Mio (cm s)-1 für Ev ≥ 5 MeV

SK: Nachweis der Neutrinooszillation durch Messung atmosphärischer Neutrinos (Richtung der einfallenden Neutrinos spielt eine Rolle)

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Ergebnisse von SNO und SK

SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an ve

ein Drittel ve: 1,76Mio (cm s)-1

zwei Drittel vµ und vτ: 3,41Mio (cm s)-1 für Ev ≥ 5 MeV

SK: Nachweis der Neutrinooszillation durch Messung atmosphärischer Neutrinos (Richtung der einfallenden Neutrinos spielt eine Rolle)

Detektion von 10+ Neutrinos innerhalb weniger Sekunden wenige Stunden, bevor SN1987A ‚sichtbar‘ wurde

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Ergebnisse von SNO und SK

SNO: Gesamtfluss der solaren Neutrinos entspricht sehr genau dem berechneten Fluss an ve

ein Drittel ve: 1,76Mio (cm s)-1

zwei Drittel vµ und vτ: 3,41Mio (cm s)-1 für Ev ≥ 5 MeV

SK: Nachweis der Neutrinooszillation durch Messung atmosphärischer Neutrinos (Richtung der einfallenden Neutrinos spielt eine Rolle)

Detektion von 10+ Neutrinos innerhalb weniger Sekunden wenige Stunden, bevor SN1987A ‚sichtbar‘ wurde

Nachweis von Tag-Nacht-Schwankungen, bzw. jahreszeitlichen Schwankungen der gemessenen Neutrinoverteilungen.

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Quellen

„Die Welt der Elementarteilchen“, K. Ford

„Atome, Kerne, Elementarteilchen - Schwache Wechselwirkung und

Neutrinos“, Prof. Dr. Helmut Faissner

Proseminar HP Literaturvorlagen

www.astroteilchenphysik.de

www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index1.html (SK homepage)

www.sno.phy.queensu.ca/sno/ (SNO homepage)

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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SK-Bilder

481MeV vµ -> 394MeV µ- -> 52MeV e- 1063MeV v + p -> 1032 Myon

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SK-Bilder durchfliegendes Myon