Vortrag zum Seminar Neutrinophysik SS2005
SOLARE NEUTRINOS
von Daniel Bothner
Inhalt
1 Entstehungsprozesse
2 Frühe Experimente
3 Erklärungsmodelle
4 Neuere Experimente
5 Zusammenfassung
Entstehungsprozesse - Bilanzgleichung______________________________________________________________
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Sonne gewinnt ihre Energie durch Kernfusion
Bilanzgleichung:
26,73MeV2ν2eHe 4p e4
Durch zwei Prozesse realisiert:
- pp-Zyklus (ca. 98,4% der Energie)- CNO-Zyklus (ca. 1,6% der Energie)
Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus______________________________________________________________
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p + p d + e+ + e p + p + e_ d + e
d + p 3He +
7Li + p 4He + 4He 8Be 4He + 4He
8B 8Be + e+ + e7Be + e_ 7Li + e
3He + 4He 7Be +
7Be + p 8B +
3He + 3He 4He + 2p
pep, 0,25%pp, 99,75%
hep, 0,000024%
ppII, 14%
ppI, 86%
3He + p 4He + e+ + e
ppIII, 0,003%
Entstehungsprozesse – Der CNO-Zyklus______________________________________________________________
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13 13eN C e
15 15eO N e
17 17eF O e
15 12 4N p C He
12 13C p N
13 14C p N
14 15N p O
17 14 4O p N He
16 17O p F
15 16N p O
Entstehungsprozesse – Standard-Sonnenmodelle______________________________________________________________
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Standardsonnenmodelle basieren auf vier Grundannahmen- Hydrostatisches Gleichgewicht- Energietransport durch Strahlung oder Konvektion- Energieerzeugung durch Kernreaktionen- Anfangszusammensetzung wie heutige Photosphärenhäufigkeiten
Dazu kommen weitere Eingabegrößen wie- Alter der Sonne, Leuchtkraft, Opazität- Wirkungsquerschnitte der Kernreaktionen
Erwartetes Neutrinospektrum bzw. Neutrinoflüsse lassen sich daraus bestimmen
Entstehungsprozesse – Das Spektrum______________________________________________________________
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Dies ergibt für die benötigte Anzahl von Targetatomen:
Zweckmäßig wird neue Einheit definiert:
Entstehungsprozesse – Erwartungen______________________________________________________________
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terialDetektormaTonnen mehreren entspricht das Tag, pro Ereignisein für eTargetatom1030
24510 cm
121010 scmErwartete Flüsse in der Größenordnung:
ABER: Wirkungsquerschnitt nur ca.:
Sekunde und Targetatom pro Einfänge 10 SNU 1 -36
Seit 1968 von R. Davis
615t Perchlorethylen Häufigkeit von ca. 24%
Einfang von Neutrinos an 37Cl 37Cl + e 37Ar + e
_
Nachweis des radioaktiven 37Ar 37Ar + e
_ 37Cl + e (T1/2 = 35 d)
Schwellenenergie: 0,814 MeV
Misst
Frühe Experimente - Homestake ______________________________________________________________
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)Cl(C 42
Cl37
B78% und Be15% 87
Frühe Experimente - Homestake ______________________________________________________________
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Frühe Experimente - Homestake ______________________________________________________________
_
Frühe Experimente - Homestake ______________________________________________________________
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SNU 7,6 Erwartung 1,31,6-
SNU )22,0(2,56 Ergebnis
Kamioka Neutrino Detection Experiment seit 1986
Echtzeit-Cherenkov-Detektor
3000t (680t) Wasser mit 948 Photomultipliern (20% Oberfläche)
Neutrino-Elektron-Streuung
Nur -Neutrinos, daSchwellenenergie: 7,5MeV
Frühe Experimente - Kamiokande______________________________________________________________
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B8
(schnell) e ν Ruhe)(in e ν -e
-e
Frühe Experimente - Kamiokande ______________________________________________________________
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Frühe Experimente - Kamiokande______________________________________________________________
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Ergebnisse: - Neutrinos kommen tatsächlich von der Sonne
- )0,06(syst.)0,04(stat.0,51B)Φ(
B)Φ(
SSM8
ex.8
3 Experimente seit 1991
Einfang von Neutrinos an 71Ga + e 71Ge + e
_
Nachweis des radioaktiven 71Ge + e
_ 71Ga + e (T1/2 = 11,4 d)
Schwellenenergie: 233 keV
Erste Experimente, die auchpp-Neutrinos messen können
Frühe Experimente – Gallium-Experimente______________________________________________________________
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Ge71
Ga71
Frühe Experimente – Gallium-Experimente ______________________________________________________________
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Gallium Experiment und Gallium Neutrino Observatory
110t -Lösung im Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)
Frühe Experimente – GALLEX und GNO______________________________________________________________
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3GaCl
SNU128 Erwartung 97-
(syst.)SNU6,7(stat.)69,7 Ergebnis 3,94,5-
Frühe Experimente - SAGE______________________________________________________________
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Soviet-American Gallium Experiment
60t Gallium inmetallischer Form
Im Baksan-Untergrundlabor im Kaukasus
SNU128 Erwartung 97-
(syst.)SNU10(stat.)69 Ergebnis 57-
Frühe Experimente - Ergebnisse______________________________________________________________
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Erklärungsmodelle - Ansätze______________________________________________________________
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pp-Neutrinos dürfen nicht wesentlich angetastet werden, da deren Erzeugungsrate eng mit beobachtbarer Leuchtkraft gekoppelt
Senkung der Zentraltemperatur der Sonne- niedrigerer Metallgehalt, somit niedrigere Opazität- hohe Rotationsgeschwindigkeit des Kerns- Kosmionen (WIMPs), die zum Energietransport beitragen
Änderung der Wirkungsquerschnitte für Kernreaktionen- diese sind nur aus Beschleunigerexperimenten (mit viel höheren Energien) für die Sonne herabextrapoliert
Magnetisches Moment der Neutrinos- linkshändige Neutrinos durch das Magnetfeld der Sonne in rechtshändige sterile umgewandelt
Erklärungsmodelle – Ansätze______________________________________________________________
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Probleme:
Keines der Alternativ-Modellescheint geeignet
Helioseismologie bestätigtStandardsonnenmodell
188
87
T~B)Φ(
T~Be)Φ(
Entstehungsprozesse – Der pp-Zyklus______________________________________________________________
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p + p d + e+ + e p + p + e_ d + e
d + p 3He +
7Li + p 4He + 4He 8Be 4He + 4He
8B 8Be + e+ + e7Be + e_ 7Li + e
3He + 4He 7Be +
7Be + p 8B +
3He + 3He 4He + 2p
pep, 0,25%pp, 99,75%
hep, 0,000024%
ppII, 14%
ppI, 86%
3He + p 4He + e+ + e
ppIII, 0,003%
Erklärungsmodelle – Ansätze______________________________________________________________
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Erklärungsmodelle – Ansätze______________________________________________________________
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Erklärungsmodelle – Neutrino-Oszillationen______________________________________________________________
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Annahme : Flavoureigenzustände Masseneigenzustände Phänomen von Quarks bekannt
Zwingende Voraussetzungfür Oszillationen:
mm
eV
MeV
E
cm
hEL
L
LP
osz
oszeeee
2
2
32
222
48,24
sin2sin1)(
0 02 m
Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt______________________________________________________________
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Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein-Effekt:
Unterschiedliche Wechselwirkung der Neutrinoflavours in Materie,Elektronen führen zu zusätzlichemPotential für Elektron-Neutrinos
Bei langsamer Dichteänderungam Resonanzpunkt:
Modifizierter Mischungswinkel:
e
2
22
22
/22
2sin)2(cos
2sin2sin
mENGa
a
eF
m
Erklärungsmodelle – Der MSW-Effekt______________________________________________________________
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e Unterdrückung
7 Be-
Neuere Experimente - Superkamiokande______________________________________________________________
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Super Kamioka Neutrino Detection Experiment seit 1996
50000t (22000t) Wasser mit 11000 Photomultipliern(40% Oberflächenabdeckung)
Durch die Größe bessereStatistik möglich
Somit Schwellenenergienur noch 5MeV
Misst nur -NeutrinosB8
Neuere Experimente - Superkamiokande______________________________________________________________
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Bestätigt die Ergebnisse von KamiokandeDefizit sogar noch größer
1,71,6-
SSM8
ex.8
0,46B)Φ(
B)Φ(
Neuere Experimente - SNO______________________________________________________________
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Sudbury Neutrino Observatory seit 1999
1000t schweres Wasser mit 9800 Photomultipliern
7500t reinesWasser zurAbschirmung
Neuere Experimente - SNO______________________________________________________________
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Erstmals Bestimmung des totalenNeutrinoflusses möglich
Schwellenenergie: 5MeValso auch nur -Neutrinos
Erstmals direkte Untergrundbestimmung möglichdurch Wassertausch
B8
τμ,eES ν0,15Φ νΦ Φ
Neuere Experimente - SNO ______________________________________________________________
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Ergebnisse:
1-2-6
1,010,81SSM
0,460,43
0,440,43NC
0,120,12
0,240,23ES
0,090,09
0,060,05CC
scm 10in jeweils
5,05Φ
(syst.)(stat.)5,09Φ
(syst.)(stat.)2,39Φ
(syst.)(stat.)1,76Φ
DAS SOLARE NEUTRINOPROBLEM SCHEINT GELÖST
Neuere Experimente - SNO______________________________________________________________
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LMA-Neutrinooszillationen (MSW-Effekt) bestätigt mit
0,40θn ta, eV106,5Δm 2252
Neuere Experimente - KamLAND______________________________________________________________
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Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector seit 2001
3000t Flüssigszintillator mit2000 Photomultipliern
Misst Antielektron-Neutrinosaus Reaktoren über
Schwellenenergie: 1,8MeV
)2,2( 2
MeVdpnee
nepe
Neuere Experimente - KamLAND ______________________________________________________________
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Ziel:Verifizierung der LMA-Lösungaus solaren Experimenten
Mittlere Reaktorentfernung: 180km
Vakuumoszillationslänge der 5MeVNeutrinos mit LMA-Parametern:
Test möglich!
kmmLosz 8,190105,6
548,25
Neuere Experimente - KamLAND______________________________________________________________
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L0 =180 km
KamLAND bestätigt LMA-Lösung
Wichtiges Ergebnis: Disappearance bestätigtZerfall/Dekohärenz der Neutrinos ausgeschlossenErstmals Reappearance bestätigt
Neuere Experimente - Ergebnisse______________________________________________________________
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Neutrinos entstehen in der Sonne durch pp- und CNO-Zyklus
Spektrum durch SSM berechenbar
Erste Experimente (Homestake, Kamiokande,Gallium-Experimente) zeigten Defizit
Viele Erklärungsmodelle nicht zutreffend
Neutrino-Oszillationen und MSW-Effekt vorgeschlagen
Neuere Experimente (Super-K, SNO,KamLAND) bestätigen Neutrino-Oszillationenund LMA-Lösung
Zusammenfassung______________________________________________________________
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