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Zukünftige Neutrinoexperimente und deren theoretische Implikationen. DPG-Frühjahrstagung Heidelberg 6. März 2007 Walter Winter Universität Würzburg. TexPoint fonts used in EMF: A A A. Inhalt. Einführung Drei-Flavor Neutrinooszillationen Auf dem Weg zur Präzisionsmessung - PowerPoint PPT Presentation
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Zukünftige NeutrinoexperimenteZukünftige Neutrinoexperimenteund deren theoretische Implikationenund deren theoretische Implikationen
DPG-FrühjahrstagungDPG-Frühjahrstagung
HeidelbergHeidelberg6. März 20076. März 2007
Walter WinterWalter WinterUniversität WürzburgUniversität Würzburg
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 2
InhaltInhalt EinführungEinführung Drei-Flavor NeutrinooszillationenDrei-Flavor Neutrinooszillationen Auf dem Weg zur PräzisionsmessungAuf dem Weg zur Präzisionsmessung Wofür sind diese Messungen gut?Wofür sind diese Messungen gut? Erweiterte Quark-Lepton-Erweiterte Quark-Lepton-
KomplementaritätKomplementarität Implikationen für 0Implikationen für 0-Zerfall-Zerfall ZusammenfassungZusammenfassung
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 3
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-Hinweis auf einen Flavor-Übergang!Übergang!
(Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of (Super-Kamiokande: “Evidence for oscillations of atmospheric neutrinos”, 1998)atmospheric neutrinos”, 1998)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 4
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
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 5
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 kein Einfluss auf Oszillationenaber kein Einfluss auf Oszillationen
(s(sijij = sin = sin ij ij ccijij = cos = cos ijij))
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 6
NeutrinomassenNeutrinomassen
Zwei unabhängige Zwei unabhängige Massenquadratdifferenzen Massenquadratdifferenzen relevant für Oszillationen: |relevant für Oszillationen: |mm2121
2 2 | << || << |mm313122||
Massenspektren: Hierarchisch oder entartet?Massenspektren: Hierarchisch oder entartet?
Massenhierarchie: Massenhierarchie: Normal oder invertiert?Normal oder invertiert?
Dirac- oder Majorana-Dirac- oder Majorana-Masse?Masse?
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 7
Drei-Flavor-NeutrinooszillationenDrei-Flavor-Neutrinooszillationen
Kopplungsstärke: 13
AtmosphärischeOszillationen:Amplitude: 23
Frequenz: m312
SolareOszillationen:Amplitude: 12
Frequenz: m212
Unterdrückter Effekt: CP
CP-Verletzung ist Voraussetzungfür Baryogenese
(Materie-Antimaterie-Asymmetrie)Ist dieser Parameter der Schlüssel?
Nur obere Grenze bisher!Ohne 13, keine CP-Verletzung
messbar und Anordnungder Massen sehr schwerzugänglich (sgn(m31
2))
(Super-K, 1998;Chooz, 1999; SNO 2001+2002; KamLAND 2002)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 8
Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Auf dem Weg zur Präzisionsmessung:Neutrino BeamsNeutrino Beams
Künstliche Quelle:
Beschleuniger (o. Reaktor)
Oft: Nahdetektor (Wirkungsquerschnitte
, Systematik)
Ferndetektor
Baseline: L ~ E/m2
(Osz.-länge)
?
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 9
In Betrieb: MINOSIn Betrieb: MINOS Messung der atmosphärischenMessung der atmosphärischen
Parameter mit hoher PräzisionParameter mit hoher Präzision Flavor-Konversion ?Flavor-Konversion ? Fermilab - Soudan
L ~ 735 km
Ferndetektor: 5400 tNahdetektor: 980 t
735 km
Beam line
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 10
Die Jagd nach Die Jagd nach 1313
Beispielszenario; Beispielszenario; Bänder repräsentieren Bänder repräsentieren unbekanntes unbekanntes CPCP
Neue Generation von Neue Generation von Experimenten Experimenten dominiert sehr dominiert sehr schnell!schnell!
Neutrinofabrik:Neutrinofabrik:Reichweite Reichweite sinsin22221313 ~ 10 ~ 10-5 -5 -- 1010-4 -4
(=Oszillationsamplitude)(=Oszillationsamplitude)(aus: FNAL Proton Driver Study; Fig. von Brice, Geer, Harris, Winter, 2005)
GLoBES 2005
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 11
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, 2001; Akhmedov et al., 2004)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 12
Probleme mit entarteten LösungenProbleme mit entarteten Lösungen 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
Beeinträchtigen MessungenBeeinträchtigen MessungenBeispiel: Beispiel: 1313-Sensitivität-Sensitivität
(Huber, Lindner, Winter, 2002)(Huber, Lindner, Winter, 2002)
Diskrete Entartungen: Diskrete Entartungen: ((,,1313)-Entartung)-Entartung(Burguet-Castell et al, 2001)(Burguet-Castell et al, 2001)
sgn-Entartung sgn-Entartung (Minakata, Nunokawa, 2001)(Minakata, Nunokawa, 2001)
((2323,,/2-/2-2323)-Entartung )-Entartung (Fogli, Lisi, 1996)(Fogli, Lisi, 1996)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 13
Auf dem Weg zur PräzisionsmessungAuf dem Weg zur Präzisionsmessung… durch Auflösen der entarteten Lösungen… durch Auflösen der entarteten Lösungen
Beispiel: „Magic baseline“ Beispiel: „Magic baseline“ und Neutrinofabrik:und Neutrinofabrik:
L= ~ 3000 km (CP) + ~7500 L= ~ 3000 km (CP) + ~7500 km (Entartungen) heute km (Entartungen) heute Standardkonfiguration einer Standardkonfiguration einer Neutrinofabrik Neutrinofabrik (ISS-Studie, 2006)(ISS-Studie, 2006)
(Huber, Winter, 2003)(Huber, Winter, 2003)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 14
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/4, Massenhierarchie, etc. , etc.
Beispiel: Literaturrecherche für Beispiel: Literaturrecherche für 1313
(Albright, Chen, 2006)
Peak generisch oder voreingenommen?
Experimenteliefern wichtige
Hinweise für Theorie
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 15
Der Traum von der großen Der Traum von der großen VereinheitlichungVereinheitlichung
Phänomenologischer Hinweis Phänomenologischer Hinweis z. B.z. B.
(„Quark-Lepton-(„Quark-Lepton-Komplementarität“ - QLC)Komplementarität“ - QLC)
Gibt es Gibt es eineeine Größe Größe ~ ~ CC, die , die alle Mischungen und alle Mischungen und Hierarchien erklären kann?Hierarchien erklären kann?
Überbleibsel der Überbleibsel der GUTGUT
Lepton-Sektor
Quark-Sektor
Symmetrie-brechung(en)
E GUT
(Petcov, Smirnov, 1993; Smirnov, 2004; Raidal, 2004; Minakata, Smirnov, 2004)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 16
Manifestation von Manifestation von Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen: Massenhierarchien Quarks/gel. Leptonen:
mmuu:m:mcc:m:mtt==44::33:1, m:1, mdd:m:mss:m:mbb==44::22:1, m:1, mee:m:m:m:m==44::22:1:1
Neutrinomassen: Neutrinomassen: mm11:m:m22:m:m33~~22:::1, 1:1::1, 1:1: oder 1:1:1 oder 1:1:1
MischungenMischungen
11 33
11 22
33 22 11
VCKM ~
UPMNS ~ VCKM+Ubimax?
Kombination aus und max. Mischungen?
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 17
Erweiterte Quark-Lepton-KomplementaritätErweiterte Quark-Lepton-Komplementarität
1.1. Generiere alle möglichen (reellen) UGeneriere alle möglichen (reellen) Ull, U, U mit mit
MischungswinkelnMischungswinkeln (262.144)(262.144)
2.2. Berechne UBerechne UPMNSPMNS und lese Mischungswinkel ab; und lese Mischungswinkel ab;
selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten (2.468)selektiere nur Modelle kompatibel mit Daten (2.468) Keine Diagonalisierung notwendig! Keine Diagonalisierung notwendig!
Geladene Leptonen-Massenterme
Eff. Neutrino-Massenterme
vgl. gel. Strom imWW-Lagrangian
Rotiert links-händige Felder
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 18
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
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 19
Textur-Kombinationen aus erw. QLCTextur-Kombinationen aus erw. QLC Neue Summenregeln und systematische Neue Summenregeln und systematische
Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Klassifizierung von Texturen (Neutrinomassen-Schemata). Schemata).
Beispiel: Beispiel: „Diamanten “-Texturen„Diamanten “-Texturenmit neuen Summenregeln, mit neuen Summenregeln, z. B.z. B. (Plentinger, Seidl, Winter, 2006)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 20
Dirac- oder Majorana-Massenterme?Dirac- oder Majorana-Massenterme? 00-Zerfall-Zerfall: Testet Majorana-Eigenschaft: Testet Majorana-Eigenschaft
Rate ~ Kernphysik x Rate ~ Kernphysik x |m|meeee||
Ist das Ist das sein eigenes Antiteilchen? sein eigenes Antiteilchen?
(Heidelberg-Moscow, COBRA, EXO, NEMO, Gotthart, Majorana, etc.)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 21
Komplementarität 0Komplementarität 0/Long-Baseline/Long-Baseline Momentan relativMomentan relativ
großer Bereich großer Bereich theoretisch erlaubttheoretisch erlaubt
Insbesondere Insbesondere verschwindende Rate verschwindende Rate erlaubt (erlaubt (mm3131
22>0)>0) Synergien mit LBL:Synergien mit LBL:
z. B. z. B. mm3131
22<0 @ NOvA + <0 @ NOvA + Stärkerer 0Stärkerer 0-Bound -Bound = Dirac-Massenterme= Dirac-Massenterme
Leichteste Neutrinomasse
0
-Zer
fall
srat
e
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 22
00-Zerfall und erweiterte QLC-Zerfall und erweiterte QLC Verschwin-Verschwin-
dene 0dene 0--Rate benötigtRate benötigtFine-tuning Fine-tuning von Phasenvon Phasen
Unwahrscheinlich für Unwahrscheinlich für konkrete Modellekonkrete ModelleBeispiel:Beispiel: Erweiterte Erweiterte QLCQLC(+ gleichvert.(+ gleichvert.Dirac-like Phasen)Dirac-like Phasen)
|mee| > 0.002 eV für 99%
(Plentinger, Seidl, Winter, 2006)
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 23
See-saw zur Erklärung der winzigen NeutrinomasseSee-saw zur Erklärung der winzigen Neutrinomasse
Kombinatorischer Test von See-Saw-Realisierungen: Kombinatorischer Test von See-Saw-Realisierungen: Teste ~ 3 Billionen Fälle (~ 2 Monate Rechenzeit)Teste ~ 3 Billionen Fälle (~ 2 Monate Rechenzeit)
Spezialfälle: Spezialfälle:
In der Literatur sind die meisten Fälle nicht In der Literatur sind die meisten Fälle nicht berücksichtigt!berücksichtigt!
Ausblick: See-Saw-Realisierungen?Ausblick: See-Saw-Realisierungen?
(MD, MR, Meff i.A. 3x3-Matrizen!)
(Plentinger, Seidl, Winter, in Vorbereitung)
Mehr von Gerhart Seidl am 16.4. am DESY!
VORLÄUFIG!
06.03.07 DPG Frühjahrstagung - W. Winter 24
ZusammenfassungZusammenfassung Neutrinophysik auf dem Weg zur Neutrinophysik auf dem Weg zur
PräzisionsphysikPräzisionsphysik Die gemessenen Parameter geben wichtige Die gemessenen Parameter geben wichtige
Hinweise auf zugrundliegende TheorienHinweise auf zugrundliegende TheorienPerformance-Indikatoren für Modelle z. B. Performance-Indikatoren für Modelle z. B.
1313, Massenhierarchie, , Massenhierarchie, 2323--/4, |m/4, |meeee|, …|, …
Unter generischen Annahmen wird in den Unter generischen Annahmen wird in den nächsten Jahren der Druck auf den Modellbau nächsten Jahren der Druck auf den Modellbau erheblich wachsenerheblich wachsen
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