Neutrinooszillationen: Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Präzisionsphysik mit Geisterteilchen Geisterteilchen Vorstellungskolloquium im Rahmen Vorstellungskolloquium im Rahmen des Habilitationsverfahrens des Habilitationsverfahrens Universität Würzburg Universität Würzburg 8. Januar 2007 8. Januar 2007 Walter Winter Walter Winter Universität Würzburg Universität Würzburg
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Neutrinooszillationen: Präzisionsphysik mit Geisterteilchen Vorstellungskolloquium im Rahmen des Habilitationsverfahrens des Habilitationsverfahrens Universität.
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Neutrinooszillationen:Neutrinooszillationen:Präzisionsphysik mit GeisterteilchenPräzisionsphysik mit Geisterteilchen
Vorstellungskolloquium im RahmenVorstellungskolloquium im Rahmendes Habilitationsverfahrensdes Habilitationsverfahrens
Universität WürzburgUniversität Würzburg
8. Januar 20078. Januar 2007
Walter WinterWalter WinterUniversität WürzburgUniversität Würzburg
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 2
InhaltInhalt EinführungEinführung Drei-Flavor NeutrinooszillationenDrei-Flavor Neutrinooszillationen Experimente mit künstlichen Experimente mit künstlichen
NeutrinoquellenNeutrinoquellen Auf dem Weg zur PräzisionsmessungAuf dem Weg zur Präzisionsmessung Wofür sind diese Messungen gut?Wofür sind diese Messungen gut? AusblickAusblick
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 3
(KATRIN, 2006)
Etwas HistorieEtwas Historie
Nobelpreise in der Neutrinophysik:Nobelpreise in der Neutrinophysik:1988 Entdeckung des Myon-Neutrinos 1988 Entdeckung des Myon-Neutrinos
(Lederman, Schwartz, Steinberger)(Lederman, Schwartz, Steinberger)1995 Entdeckung des Neutrinos 1995 Entdeckung des Neutrinos
(Frederick Reines)(Frederick Reines)
2002 Entdeckung kosmischer Neutrinos 2002 Entdeckung kosmischer Neutrinos (Ray Davis Jr., Masatoshi Koshiba)(Ray Davis Jr., Masatoshi Koshiba)
dunkle Energiedunkle Energie Physik jenseits des Physik jenseits des
Standardmodells?Standardmodells?(Glashow, Salam, Weinberg; ‘t Hooft, Veltman; Gross, Politzer, Wilczek; many many others)
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 5
Warum sind Neutrinos so schwer zu fassen?Warum sind Neutrinos so schwer zu fassen? Es gibt sehr viele Neutrinos (z. B. Es gibt sehr viele Neutrinos (z. B.
aus der Sonne, Atmosphäre):aus der Sonne, Atmosphäre):70.000.000.000 s70.000.000.000 s-1-1 cm cm-2-2
alleine von der Sonnealleine von der Sonne Aber: Kaum Wechselwirkungen;Aber: Kaum Wechselwirkungen;
keine Ladung, keine starke WWkeine Ladung, keine starke WW Daher: Baue große Detektoren Daher: Baue große Detektoren
(O(1000 t)) oft tief unter Tage (O(1000 t)) oft tief unter Tage (Background-Reduktion)(Background-Reduktion)
(SNO)
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 6
Woher kommen die Neutrinos?Woher kommen die Neutrinos?
10-4 10-3 104103 105 106 107 1010109 1011108 1012
keV MeV GeV TeV
E [eV]
Natürliche Quellen
KünstlicheQuellen= “man made”
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 7
Das Geheimnis der fehlenden NeutrinosDas Geheimnis der fehlenden Neutrinos
Vorhergesagte Elektron-Vorhergesagte Elektron-Neutrinorate aus der Sonne Neutrinorate aus der Sonne (John Bahcall) passte nicht zur (John Bahcall) passte nicht zur Beobachtung (Ray Davis Jr.).Beobachtung (Ray Davis Jr.).
Verschwinden die Neutrinos?Verschwinden die Neutrinos?Oder war das Modell falsch?Oder war das Modell falsch?(1960er bis 90er)(1960er bis 90er)
Rate der Neutrinos von unten und Rate der Neutrinos von unten und oben kommend sollte gleich seinoben kommend sollte gleich sein
Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Aber: Die Hälfte fehlt von unten. Hinweis auf einen Flavor-Übergang!Hinweis auf einen Flavor-Übergang!
(Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of (Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos”, 1998)atmospheric neutrinos”, 1998)
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 8
Wohin sind die Neutrinos verschwunden?Wohin sind die Neutrinos verschwunden? Für massive Neutrinos, die mischen:Für massive Neutrinos, die mischen:
oszillieren:oszillieren:Amplitude
Frequenz
Baseline: Quelle - Detektor
Energie
(Pontecorvo, 1957; Maki, Nakagawa, Sakata, 1962)
EZ schwache WW EZ Masse
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 9
Neutrinomischung mit drei FlavorsNeutrinomischung mit drei Flavors
( ) ( ) ( )= xx
Drei Mischungswinkel Drei Mischungswinkel , , eine CP-Phase eine CP-Phase CPCP
Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos,Zwei zusätzliche Phasen für Majorana-Neutrinos,aber für Oszillationen irrelevantaber für Oszillationen irrelevant
(s(sijij = sin = sin ij ij ccijij = cos = cos ijij))
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 10
NeutrinomasseNeutrinomasse Neutrinos sind vielNeutrinos sind viel
leichter als die Quarks, leichter als die Quarks, geladenen Leptonengeladenen Leptonen
Zwei Massenquadrat-Zwei Massenquadrat-differenzen relevant für differenzen relevant für Oszill. : |Oszill. : |mm2121
2 2 | << || << |mm313122||
Massenhierarchie:Massenhierarchie:Normal oder invertiert?Normal oder invertiert?
Massenspektren: Massenspektren: Hierarchisch oder entartet?Hierarchisch oder entartet?
Was wir über Neutrinos (nicht) wissenWas wir über Neutrinos (nicht) wissen Gibt es in drei aktiven (=schwach wechselwirkenden) FlavorsGibt es in drei aktiven (=schwach wechselwirkenden) Flavors Neutrino-Oszillationsparameter (1Neutrino-Oszillationsparameter (1):):
mm212122 ~ 8.2 10 ~ 8.2 10-5-5 eV eV22 +- 5%+- 5%
sinsin22221212 ~ 0.83 ~ 0.83 +- 5%+- 5%||mm3131
22| ~ (2 – 2.5) 10| ~ (2 – 2.5) 10-3-3 eV eV22
sinsin22222323 ~ 1 ~ 1 +- 7%+- 7%sinsin2222CPCPMassenhierarchie: Normal oder invertiert?Massenhierarchie: Normal oder invertiert?
Andere Parameter:Andere Parameter:(Majorana-Phasen)(Majorana-Phasen)Absolute Neutrino-Massenskala? < 1 eVAbsolute Neutrino-Massenskala? < 1 eVMassenterme: Dirac oder Majorana?Massenterme: Dirac oder Majorana?
Kleine “Nicht-standard” Beimischungen, wie etwa sterile Kleine “Nicht-standard” Beimischungen, wie etwa sterile Neutrinos, Neutrinozerfall etc? LSND-Anomalie?Neutrinos, Neutrinozerfall etc? LSND-Anomalie?
Max. Mischung auf 5ausgeschl.!
Exakt maximale Mischung?
Nur obere Schranke!
(siehe z. B. Bahcall et al, hep-ph/0406294;
Super-K, hep-ex/0501064; CHOOZ+solare paper)
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 13
Wichtige offene experimentelle Wichtige offene experimentelle -Fragen-Fragen1.1. Absolute MassenskalaAbsolute Massenskala2.2. Wie groß ist Wie groß ist 1313??
4.4. Niederenergie-Neutrinos aus Niederenergie-Neutrinos aus der Sonne: Test des solaren der Sonne: Test des solaren StandardmodellsStandardmodells
5.5. Test der “LSND-Anomalie”Test der “LSND-Anomalie”
Aus der US APS-Studie (2004):“We recommend, as a high priority,a comprehensive U.S. programto determine the character of theneutrino mass spectrum, and to search for CP violation amongneutrinos. This program shouldhave the following components:- An expeditiously deployed multi-detector reactor experiment […]- A timely accelerator experimentwith [...] sensitivity to the mass hierarchy through matter effects- A proton driver in the megawattclass […] and neutrino super-beam with an appropriate very largedetector […]”
Forschung der k
ommenden
Jahre:
Wie s
ieht das
genau aus?
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 14
Ein Multi-Detektor-ReaktorexperimentEin Multi-Detektor-Reaktorexperiment… für eine “saubere Messung” von … für eine “saubere Messung” von 1313
DoubleChooz3 Jahre
Daya Bay, Braidwood,
Angra, Triple Chooz?
(Minakata et al, 2002; Huber, Lindner, Schwetz, Winter, 2003)
Lastwagengröße um “Inventar” Lastwagengröße um “Inventar” eines Reaktors zu überwacheneines Reaktors zu überwachen
Prinzip: Die Event-Raten nahe eines Prinzip: Die Event-Raten nahe eines Reaktors sind hoch, die (Anti-)Neutrinos Reaktors sind hoch, die (Anti-)Neutrinos kann man nicht abschirmen:kann man nicht abschirmen:– 0.64 t 0.64 t DetektorDetektor– 25 m25 m vom Reaktorkern vom Reaktorkern– Typische thermische Leistung = Typische thermische Leistung = 3.46 GW 3.46 GW – ~4000 Events/Tag für 100% Detektionseffizienz~4000 Events/Tag für 100% Detektionseffizienz
Antineutrino-Rate hängt von Isotop und Antineutrino-Rate hängt von Isotop und Zeit ab („Burn-up“-Effekt)Zeit ab („Burn-up“-Effekt)
Angestrebe Präzision: ~ O(10) kgAngestrebe Präzision: ~ O(10) kg
Anzahl Anzahl Antineutrinos/Zerfälle Antineutrinos/Zerfälle hängt von Isotop ab!hängt von Isotop ab!
(Adam Bernstein, LLNL)(Adam Bernstein, LLNL)
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 16
Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Neutrino BeamsNeutrino Beams
Künstliche Quelle:
Beschleuniger, Reaktor
Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte
, Systematik)
Ferndetektor
Baseline: L ~ E/m2
(Osz.-länge)
?
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 17
In Betrieb: MINOSIn Betrieb: MINOS Messung der atmosphärischenMessung der atmosphärischen
Parameter mit hoher PräzisionParameter mit hoher Präzision Auftauchen von NeutrinosAuftauchen von Neutrinos
mit “anderem” Flavor?mit “anderem” Flavor?Fermilab - Soudan
~ 1.000.000 ~ 1.000.000 Events/Jahr im Events/Jahr im -> -> -Kanal-Kanal(L=3.000 km)(L=3.000 km)
(from: CERN Yellow Report )
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 24
Appearance-Kanäle: Appearance-Kanäle: ee
Kompliziert, enthält aber alle relevantenKompliziert, enthält aber alle relevantenInformationen: Informationen: 1313, , CPCP, Massenhierarchie (via A), Massenhierarchie (via A)
(Cervera et al. 2000; Freund, Huber, Lindner, 2000; Freund, 2001)
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 25
Korrelationen und EntartungenKorrelationen und Entartungen Zusammenhängende (grün) Zusammenhängende (grün)
oder nicht-oder nicht-zusammenhängende (gelb) zusammenhängende (gelb) entartete Lösungen (best. entartete Lösungen (best. confidence level) im confidence level) im ParameterraumParameterraum
Welche Baselines, welche Energien?Welche Baselines, welche Energien? 3000-5000 km gut für3000-5000 km gut für
CP-VerletzungCP-Verletzung ~7500 km gut für ~7500 km gut für
Massenhierarchie, Entartungsaufl.Massenhierarchie, Entartungsaufl. Benutze zwei Baselines: Benutze zwei Baselines:
4000 km+7500 km, E4000 km+7500 km, E > 40 GeV > 40 GeV
Massenhier.
CP-Verletzung13-Sens.
Fig. aus Huber, Lindner, Rolinec, Winter, 2006.
Beitrag zur “International scoping study of a future Neutrino factory and super-beam facility”, 2005-2006
$50 Mio.?
~600 CPU-hrs
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 27
Erdmaterie enthält Elektronen, aber kaum Erdmaterie enthält Elektronen, aber kaum ,, Kohärente Vorwärtsstreuung in Materie hat Nettoeffekt auf Kohärente Vorwärtsstreuung in Materie hat Nettoeffekt auf
Elektron-Flavor:Elektron-Flavor:
Materieeffekte sind proportional zu L und Materieeffekte sind proportional zu L und Hamiltonian im Flavor-Raum:Hamiltonian im Flavor-Raum:
Materieeffekte in Materieeffekte in -Oszillationen (MSW)-Oszillationen (MSW)
Y: Elektronen-anteil ~ 0.5
(Elektronen pro Nukleon)
(Wolfenstein, 1978; Mikheyev, Smirnov, 1985)
e nur e
e
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 28
Materieprofil der ErdeMaterieprofil der Erde… aus der Sicht eines Neutrinos… aus der Sicht eines Neutrinos
(PREM: Preliminary Reference Earth Model)
Kern
InnererKern
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 29
Materieeffekte: Fluch oder Segen?Materieeffekte: Fluch oder Segen? Wichtig für Massenhierarchie-Wichtig für Massenhierarchie-
Bestimmung:Bestimmung:
Problem für andereProblem für andereParameter (Parameter (1313, , CPCP): ): Geophysikalische Geophysikalische Materiedichte-Materiedichte-unsicherheitenunsicherheiten
(gemessen von seismischen Wellen)(gemessen von seismischen Wellen) ca. 5% Unsicherheit im Materieprofilca. 5% Unsicherheit im Materieprofil
Leptonische CP-VerletzungLeptonische CP-Verletzung CP-Verletzung ~ Antiteilchen haben andere CP-Verletzung ~ Antiteilchen haben andere
Eigenschaften als TeilchenEigenschaften als Teilchen Test von CP-Verletzung: Vergleich mit CP-Test von CP-Verletzung: Vergleich mit CP-
konjugiertem Experiment ~ Vergleich Neutrinos – konjugiertem Experiment ~ Vergleich Neutrinos – Antineutrinos (in Vakuum):Antineutrinos (in Vakuum):
Problem der Erdmaterie: Verletzt CP, CPTProblem der Erdmaterie: Verletzt CP, CPT(da kaum Positronen in der Erde; ggf. auch (da kaum Positronen in der Erde; ggf. auch asymmetrisches Materieprofil)asymmetrisches Materieprofil)
CP-Verletzung ist nur in Konvolution mit vielen CP-Verletzung ist nur in Konvolution mit vielen anderen Parametern messbar; prop. zu anderen Parametern messbar; prop. zu sin sin CPCP
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 31
Neutrino-Tomographie?!Neutrino-Tomographie?!
L ~ 7.200 km (v. FNAL)
Präzision der mittleren Dichtemessung bei sehr langen Baselines Präzision der mittleren Dichtemessung bei sehr langen Baselines ~ ~ 0.25-0.5%0.25-0.5% (1 (1, große , große 1313))
Warum diese Messungen?Warum diese Messungen? Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen Massen-Modelle beschreiben Massen und Mischungen
durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc.durch Symmetrien, GUTs, Anarchieargumente etc. Vorhersagen für Vorhersagen für 1313, , 2323--/4, Massenhierarchie, etc. /4, Massenhierarchie, etc. Beispiel: Literaturrecherche für Beispiel: Literaturrecherche für 1313
(Albright, Chen, 2006)
Peak generisch oder voreingenommen?
Experimenteliefern wichtige
Hinweise für Theorie
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 33
Mischung: Quarks versus LeptonenMischung: Quarks versus Leptonen
Grundidee: Gleiche ParameterisierungGrundidee: Gleiche Parameterisierung Ergebnis: Kaum Mischung (Quarks) versus fast Ergebnis: Kaum Mischung (Quarks) versus fast
Nur generische Annahmen: Alle vorkommenden Nur generische Annahmen: Alle vorkommenden Mischungswinkel Mischungswinkel
Teste von 262.144 Möglichkeiten systematisch: 2.468 Teste von 262.144 Möglichkeiten systematisch: 2.468 davon kompatibel mit momanten Datendavon kompatibel mit momanten Daten
Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung Neue Summenregeln und systematische Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). Beispiel: Beispiel: „Diamanten “-Texturen„Diamanten “-Texturenmit neuen Summenregeln, mit neuen Summenregeln, z. B.z. B.
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 37
Vorhersagen aus erweiterter QLCVorhersagen aus erweiterter QLC Generische Vorhersagen für MischungswinkelGenerische Vorhersagen für Mischungswinkel Im Vergleich zur GUT-Literatur:Im Vergleich zur GUT-Literatur:
Kein Peak bei sinKein Peak bei sin22221313 ~ 0.04, ~ 0.04, Einige Modelle mit kleinen sinEinige Modelle mit kleinen sin22221313 ~3.3 10 ~3.3 10-5-5
(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)MADE IN WÜRZBURG
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 38
Dirac- oder Majorana-Massenterme?Dirac- oder Majorana-Massenterme? See-saw:See-saw:
Neutrinomasse: Dirac versus MajoranaNeutrinomasse: Dirac versus Majorana
Majorana-Massentermeimplizierenschwere MR
See-saw:
Erklärt winzige Masse
Leptogenese:Zerfall der MR
Sieg der Materie über Antimaterie
R
L
D
DRL Mm
m
m mD
2
M mD
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 39
00-Zerfall-Zerfall: Testet diese Majorana-Eigenschaft: Testet diese Majorana-Eigenschaft
Rate ~ Kernphysik x Rate ~ Kernphysik x |m|meeee||
Ist das Ist das sein eigenes Antiteilchen? sein eigenes Antiteilchen?
Experiment-Strategien zur Präzisionsmessung Experiment-Strategien zur Präzisionsmessung der Oszillationsparameterder Oszillationsparameter
Gibt es weitere Nicht-Standard-Physik in Gibt es weitere Nicht-Standard-Physik in Neutrinooszillationen?Neutrinooszillationen?
Maschinisierter, systematischer Test einer Maschinisierter, systematischer Test einer großen Klasse von Modellengroßen Klasse von Modellen
Vergleich Quarks-Leptonen: Warum nützt eine Vergleich Quarks-Leptonen: Warum nützt eine präzisiere Bestimmung von Upräzisiere Bestimmung von UPMNSPMNS??
Verbindung Neutrinooszillationen-LFV-0Verbindung Neutrinooszillationen-LFV-0--Collider etc.Collider etc.
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 44
WarumWarumNeutrinos?Neutrinos?
Neutrinos sind dieNeutrinos sind diezweithäufigsten Teilchenzweithäufigsten Teilchenim Universumim Universum
Wenn wir die Neutrinos Wenn wir die Neutrinos nicht verstehen,nicht verstehen,verstehen wir das verstehen wir das Universum nicht!Universum nicht!
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 45
BackupBackup
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 46
Neutrino oscillations in vacuumNeutrino oscillations in vacuum
Two independent Two independent m2’s!
Hamiltonian diagonal in mass
space!
Source of CPviolation if CP not 0
or
Oscillation “signature”: m2L/E
Appliedquantum
mechanics!
08.01.07 Physikal. Kolloqium - W. Winter 47
Einige “künstliche” NeutrinoquellenEinige “künstliche” NeutrinoquellenQuelleQuelle Produktion … und DetektionProduktion … und Detektion LimitationLimitation LL <E><E>
ReaktorReaktor SystematikSystematik 1-2 km1-2 km ~4 MeV~4 MeV
1.1. Generiere alle Möglichen UGeneriere alle Möglichen U ll, U, U mit Mischungswinkeln mit Mischungswinkeln
2.2. Berechne UBerechne UPMNSPMNS und lese Mischungswinkel ab; und lese Mischungswinkel ab; selektiere nur Modelle kompatibel mit Datenselektiere nur Modelle kompatibel mit Daten
3.3. Generiere Texturen für unterschiedliche Massenhierarchie-Generiere Texturen für unterschiedliche Massenhierarchie-AnnahmenAnnahmen
Keine Diagonalisierung notwendig! Keine Diagonalisierung notwendig!