Neutrinos aus Himmel und Hölle Neutrinos aus Himmel und Hölle Georg Raffelt Max-Planck-Institut für Physik München Georg Raffelt Max-Planck-Institut für Physik München Physik Modern 6. Nov 2008 Ludwig-Maximilians-Universität Physik Modern 6. Nov 2008 Ludwig-Maximilians-Universität
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Neutrinos aus Himmel und Hölle - Max Planck Society€¦ · Atmosphärische Neutrino-Oszillationen Super-Kamiokande misst Neutrinofluss abhängig vom Zenitwinkel Zenitwinkelverteilung
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Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Neutrinos aus Himmel und HNeutrinos aus Himmel und Hölleölle
Neutrinos ausHimmel und HölleNeutrinos ausHimmel und Hölle
Georg RaffeltMax-Planck-Institut für PhysikMünchen
Georg RaffeltMax-Planck-Institut für PhysikMünchen
Physik Modern 6. Nov 2008Ludwig-Maximilians-UniversitätPhysik Modern 6. Nov 2008Ludwig-Maximilians-Universität
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Periodensystem der ElementarteilchenPeriodensystem der Elementarteilchen
QuarksQuarks LeptonenLeptonen
Ladung +2/3 Ladung +2/3
Up Up
Ladung Ladung −−1/3 1/3
Down Down
Ladung Ladung −−1 1
Elektron Elektron
Ladung Ladung 00
ee--Neutrino Neutrino ννeeeedduu
NeutronNeutron
ProtonProton
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Periodensystem der ElementarteilchenPeriodensystem der Elementarteilchen
Hier 66 Milliarden Neutrinos/cmHier 66 Milliarden Neutrinos/cm22 secsec
ReaktionsReaktions--kettenketten
EnergieEnergie26.7 MeV26.7 MeV
HeliumHelium
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Sonnenbrille für Neutrinos?Sonnenbrille für Neutrinos?
Eine Bleischicht der Dicke von Eine Bleischicht der Dicke von mehreren Lichtjahren nmehreren Lichtjahren nöötigtig
Bethe & Peierls 1934Bethe & Peierls 1934„ … dies bedeutet, dass man offen„ … dies bedeutet, dass man offen--sichtlich niemals in der Lage sein sichtlich niemals in der Lage sein wird, ein Neutrino zu beobachten.”wird, ein Neutrino zu beobachten.”
8.3 Lichtminuten8.3 Lichtminuten
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Erster Nachweis (1954Erster Nachweis (1954−−1956)1956)
Fred ReinesFred Reines(1918(1918−−1998)1998)
Nobelpreis 1995Nobelpreis 1995
Clyde CowanClyde Cowan(1919(1919−−1974)1974)
DetektorDetektor--PrototypPrototyp
AntiAnti--Elektron Elektron NeutrinosNeutrinosvom vom Hanford Hanford KernreaktorKernreaktor
Erste Messung der SonnenneutrinosErste Messung der Sonnenneutrinos
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
PhysikPhysik--Nobelpreis 2002 für NeutrinoNobelpreis 2002 für Neutrino--AstronomieAstronomie
Ray Davis Jr.Ray Davis Jr.(1914(1914−−2006)2006)
Masatoshi KoshibaMasatoshi Koshiba(*1926)(*1926)
„für Pionierbeiträge zur Astrophysik, insbeson„für Pionierbeiträge zur Astrophysik, insbeson--dere für den Nachweis kosmischer Neutrinos”dere für den Nachweis kosmischer Neutrinos”
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Oszillationsmuster fOszillationsmuster für Elektronür Elektron--AntiAnti--NeutrinosNeutrinosals Funktion der Energie bei festem Abstandals Funktion der Energie bei festem Abstand
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
FermiLabFermiLab––Soudan (MINOS)Soudan (MINOS) CERN CERN –– Gran SassoGran Sasso
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Dunkle Energie 73%Dunkle Energie 73%(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)
NeutrinosNeutrinos0.10.1−−2%2%
DunkleDunkleMaterie 23%Materie 23%
Normale Materie 4%Normale Materie 4%(davon nur ca. 10%(davon nur ca. 10%leuchtend) leuchtend)
Gewogen und zu leicht befundenGewogen und zu leicht befundenGewogen und zu leicht befunden
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SonnenSonnen--NeutrinoNeutrino--SpektrumSpektrum
77--Be Linie von Be Linie von Borexino (seit 2007) Borexino (seit 2007) gemessengemessen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität MünchenGeorg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007
Physik im UntergrundPhysik im Untergrund
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität MünchenGeorg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007
Physik im UntergrundPhysik im Untergrund
•• UnterdrUnterdrückung von Störsignalenückung von Störsignalengrundlegend für Neutrinogrundlegend für Neutrino--MessungenMessungen
(~ 60 keV)(~ 60 keV)•• In Betrieb seit 16. Mai 2007In Betrieb seit 16. Mai 2007
•• Erwartetes Signal ohneErwartetes Signal ohneOszillationenOszillationen75 75 ±± 4 4 counts/100t/dcounts/100t/d
•• Erwartet mit OszillationenErwartet mit Oszillationen49 49 ±± 4 4 counts/100t/dcounts/100t/d
•• BOREXINO (Mai 2008)BOREXINO (Mai 2008)49 49 ±± 33statstat ±± 44syssys cnts/100t/dcnts/100t/darXiv:0805.3843 (25. Mai 2008)arXiv:0805.3843 (25. Mai 2008)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Helioseismologie: Sonne als pulsierender SternHelioseismologie: Sonne als pulsierender Stern
• Schwingungen der Sonne sind Schallwellen (p-Moden),• Stochastische Anregung durch Konvektionsströme• Mehr als 105 Moden (5-Minuten Oszillationen)• Innerer Umkehrpunkt hängt stark von der Knotenzahl ab• Erlaubt Rekonstruktion des Dichte- und Temperaturprofils
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Dopplergramm der ganzen SonnenscheibeDopplergramm der ganzen Sonnenscheibe
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Sonnenmodell mit alten und neuen ElementhSonnenmodell mit alten und neuen Elementhäufigkeitenäufigkeiten
•• Spektroskopisch neu bestimmte ElementhäufigkeitenSpektroskopisch neu bestimmte Elementhäufigkeiten::Theoretische und seismische Sonnenmodelle weichen stark voneiTheoretische und seismische Sonnenmodelle weichen stark voneinander abnander ab
•• Wo liegt der Fehler?Wo liegt der Fehler?
•• Neutrinomessungen der seltenen CNO Reaktionen kann die HNeutrinomessungen der seltenen CNO Reaktionen kann die Häufigkeitäufigkeitvon Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Prinzip bestimmvon Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Prinzip bestimmenen
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CNO Zyklus des WasserstoffbrennensCNO Zyklus des Wasserstoffbrennens
O168O168 F17
9F179
O178O178
(p,(p,γγ)) (p,(p,γγ))
+e+eeνeν
(p,(p,αα))
(p,(p,γγ))C126C126 N13
6N136
C136C136 N14
7N147 O15
8O158
N157N157
+e+eeνeν
(p,(p,γγ)) (p,(p,γγ))
+e+eeνeν
He4He4
(p,(p,αα))
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Geoneutrinos: Worum geht es?Geoneutrinos: Worum geht es?
Wir wissen erstaunlich wenig Wir wissen erstaunlich wenig überüberdas Innere der Erdedas Innere der Erde
•• Tiefstes Bohrloch ~ 12 kmTiefstes Bohrloch ~ 12 km
•• Proben der Kruste fProben der Kruste für chemischeür chemischeAnalyse vorhanden (z.B. Vulkane)Analyse vorhanden (z.B. Vulkane)
•• Aus seismischen MessungenAus seismischen MessungenRekonstruktion des DichteprofilsRekonstruktion des Dichteprofils
•• WWärmefluss aus gemessenenärmefluss aus gemessenenTemperaturgradienten 30Temperaturgradienten 30−−44 TW44 TW(Erwartung aus kanonischem BSE(Erwartung aus kanonischem BSEModell ~ 19 TW aus Kruste undModell ~ 19 TW aus Kruste undMantel, nichts aus dem Kern)Mantel, nichts aus dem Kern)
•• Tragen Information über die chemische Zusammensetzung, radioaktTragen Information über die chemische Zusammensetzung, radioaktive ive Energieproduktion oder sogar einen hypothetischen Reaktor im Energieproduktion oder sogar einen hypothetischen Reaktor im ErdzentrumErdzentrum
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
•• Erste vorlErste vorläufige Geoneutrinoäufige Geoneutrino--Messung durchMessung durchKamLAND in 2005 (~ 2KamLAND in 2005 (~ 2--SigmaSigma--Effekt)Effekt)
•• Schwierig wegen des ReaktorhintergrundsSchwierig wegen des Reaktorhintergrunds(Reaktorneutrinos sind Hauptzweck von(Reaktorneutrinos sind Hauptzweck vonKamLAND wegen Neutrinooszillationen)KamLAND wegen Neutrinooszillationen)
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NeutrinoNeutrino--Monitor fMonitor für Kernreaktorenür Kernreaktoren
San Onofre KernreaktorSan Onofre Kernreaktor(Kalifornien)(Kalifornien)
•• Mit relativ kleinen Detektoren kMit relativ kleinen Detektoren können Reaktorenönnen Reaktoren“von au“von außenßen” genau ” genau überwacht werdenüberwacht werden
•• Interessant für Nuklearüberwachung durchInteressant für Nuklearüberwachung durchInternationale AtomenergiekommissionInternationale Atomenergiekommission??
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IAEAIAEA
N.Bowden, Neutrino 2008
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In Klammern Zahl der EreignisseIn Klammern Zahl der Ereignisseffür eine ür eine “typische Supernova”“typische Supernova”im Abstand von 10 kpcim Abstand von 10 kpc
LVD (400)LVD (400)Borexino (100)Borexino (100)
IceCube (10IceCube (1066))
BaksanBaksan(100)(100)
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SSuperuperNNova ova EEarly arly WWarning arning SSystem (SNEWS)ystem (SNEWS)
NeutrinoNeutrino--Detektoren geben FrühwarnungDetektoren geben Frühwarnungfür eine bevorstehende Supernovaexplosionfür eine bevorstehende Supernovaexplosionin unserer Milchstrain unserer Milchstraßeße(ein paar Stunden)(ein paar Stunden)
Simulation eines SuperSimulation eines Super--Kamiokande SNKamiokande SN--Signals (10 kpc),Signals (10 kpc),basierend auf einem numerischen Modell (Livermore)basierend auf einem numerischen Modell (Livermore)[Totani, Sato, Dalhed & Wilson, ApJ 496 (1998) 216][Totani, Sato, Dalhed & Wilson, ApJ 496 (1998) 216]
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Standing Accretion Shock Instability (SASI)Standing Accretion Shock Instability (SASI)Mezzacappa et al., http://www.phy.ornl.gov/tsi/pages/simulationsMezzacappa et al., http://www.phy.ornl.gov/tsi/pages/simulations.html.html
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LAGUNA LAGUNA -- Approved FP7 Design StudyApproved FP7 Design Study
LLarge arge AApparati for pparati for GGrand rand UUnification and nification and NNeutrino eutrino AAstrophysicsstrophysics(see also arXiv:(see also arXiv:0705.01160705.0116))
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LAGUNA KollaborationLAGUNA Kollaboration
EU Finanzierung (1.7 Mio Euro) zur Evaluierung verschiedener StaEU Finanzierung (1.7 Mio Euro) zur Evaluierung verschiedener Standortendortefür ein mögliches europäisches großskaliges Neutrinofür ein mögliches europäisches großskaliges Neutrino--ObservatoriumObservatorium
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Luftschauer:Luftschauer:101019 19 eV primäres Teilchen eV primäres Teilchen 100 Milliarden sekundäre 100 Milliarden sekundäre Teilchen auf Meereshöhe Teilchen auf Meereshöhe
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Luftschauer:Luftschauer:101019 19 eV primäres Teilchen eV primäres Teilchen 100 Milliarden sekundäre 100 Milliarden sekundäre Teilchen auf Meereshöhe Teilchen auf Meereshöhe
Woher kommtWoher kommtdie primdie primäreäre
kosmische Strahlungkosmische Strahlung? ?
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Globales Spektrum der kosmischen StrahlungGlobales Spektrum der kosmischen Strahlung
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NeutrinoNeutrino--Strahlen: Himmel und ErdeStrahlen: Himmel und Erde
0π0π ±π±π
γγ
pp
μνμ μνμ
μννee μννee
τμνννe τμνννe
Target:Target:Protonen oder PhotonenProtonen oder Photonen
Vergleichbare FlVergleichbare Flüsse vonüsse vonPhotonen und NeutrinosPhotonen und Neutrinos
6595 Neutrinos aus n6595 Neutrinos aus nördlichen Richtungen, von AMANDA registriert ördlichen Richtungen, von AMANDA registriert (2000(2000−−2006)2006)Vor allem atmosphVor allem atmosphärische Neutrinos, noch keine astrophysikalischen Quellenärische Neutrinos, noch keine astrophysikalischen Quellen
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ANTARES ANTARES –– Neutrinoteleskop im MittelmeerNeutrinoteleskop im Mittelmeer
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ANTARES ANTARES –– Neutrinoteleskop im MittelmeerNeutrinoteleskop im Mittelmeer
FertiggestelltFertiggestellt2008 2008
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Leuchtende Lebewesen der TiefseeLeuchtende Lebewesen der Tiefsee
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KomplementaritKomplementarität ät zwischen zwischen Mittelmeer und SüdpolMittelmeer und Südpol
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Drei MittelmeerDrei Mittelmeer--PilotprojektePilotprojekte
2500 m2500 m
3500 m3500 m 4500 m4500 m
AntaresAntares NemoNemo
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Auf dem Weg zu einem kmAuf dem Weg zu einem km33 Detektor im MittelmeerDetektor im Mittelmeer
http://www.km3net.orghttp://www.km3net.org
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Neutrinos als astrophysikalische BotschafterNeutrinos als astrophysikalische Botschafter
AstrophysikalischeAstrophysikalischeBeschleuniger Beschleuniger Bald ?Bald ?
Urknall des Universums Urknall des Universums (Heute 330 (Heute 330 νν/cm/cm33))