KIT – University of the State of Baden-Württemberg and
National Research Center of the Helmholtz Association
Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik
www.kit.edu
Astroteilchenphysik – II
Sommersemester 2015
Vorlesung # 20, 21.5.2015
Neutrinos
- Reaktor-Experimente für q13:Daya Bay – Reno – Double Chooz
- LBL Beschleuniger: DUNE
- lepton. CP-Verletzung
- Neutrino-Eigenschaften:
Dirac- / Majorana- Teilchen
KIT-IEKP2 21.05.2015
nµ : ne = 2
: 1kosmische
Strahlung
G. Drexlin – VL20
atmosphärische Neutrinos
Super-Kamiokande: Azimuthwinkel-Verteilung cosq für
GeV- atmosphärische Neutrinos
nµ : ne Flavour –
Verhältnis R = 2 : 1
Dm2 = 2.4 × 10-3 eV2
sin2 2q > 0.92
Zenithwinkels q legt den n-Flugweg Ln(20-12.000 km) fest
maximalenµ-nt Mischung
梶田隆章
KIT-IEKP3 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Oszillationsexperimente an Beschleunigern
Erzeugung eines n-Strahls: Protonen treffen auf C-Target,
Zerfall p+ µ+ + nµ (magnet. Fokussierung): nµ ´s mit GeV
p
Synchrotron
Target
magnetisches Horn:
Ladungsselektionkm-Abschirmung:
Myonen werden
abgebremst:
Zerfall µ+
erfolgt in Ruhe
(n´s mit MeV)
massiver Detektor zum Nachweis von:
nµ: CC-Reaktionen mit Myonspuren
ne: CC-Reaktion mit elmagnet. Schauer
p+
Zerfallstunnel (evakuiert):
Erzeugung von nµ
µ+K+
nµ
Beschleuniger Detektor
Synchrotron
Monitor
Target+Horn
Untergrundlabor Zugang
http://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpghttp://lbne.fnal.gov/images2/two-site-cartoon.jpg
KIT-IEKP4 21.05.2015
100
0cossin
0sincos
cos0sin
010
sin0cos
cossin0
sincos0
001
1212
1212
1313
1313
2323
2323 qq
i
i
e
e
U
G. Drexlin – VL20
Reaktor-
Experimente
3-Flavour Neutrino-Oszillationen: q13
disappearance Kanal: P(nene)
- nur q13, keine anderen Parameter
- keine Flavour-´Kontamination´
- n-Fluß (2-/multi-Detektorsysteme)
_ _
generische 3 Flavour-Oszillationen Mischungswinkel q13
Reaktorexperimente bei
kurzem Abstand (L=1-2 km)
(d.h. auf der Dm223 –Skala):
- Messung eines Defizits
durch generische
3n-Mischungen
- q13-Mischung: groß oder
klein (0° < q13 < 45°)
KIT-IEKP5 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
0.1 1 10 100
Abstand zu Reaktor L [km]
´atmosphärische´ Skala
perfekte L/E
Auflösung
Abstand L = 1 km
Wa
hrs
ch
ein
lich
ke
it P
ee 1
0.8
0.6
0.4
0.2
´solare´ Skala
1. Oszillationsmaximum
durch kleine q13 Mischung
1. Oszillationsmaximum
durch starke q12 Mischung
Observable:
nahe-ferne
Rate
Reaktor nExperimente für q13
Ziel: Messung des Mischungswinkels q13 via ne-disappearance auf der
Dm2 Skala von atmosphärischen n´s bei Dm213 ~ 2.4 × 10-3 eV2
Ln ~ 1 km ‹En › = 3 MeV
D
D
n
n
n
n
q
E
Lm27.1sin2sincos
E
Lm27.1sin2sin1P
2
122
12
2
13
4
2
132
13
2
ee
KIT-IEKP6 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Reaktor nExperimente für q13
Ziel: Messung des Winkels q13 via ne-disappearance auf Dm2 Skala
von atmosphärischen n´s bei Dm213 ~ 2.4 × 10-3 eV2
Ln ~ 1 km ‹En › = 3 MeV
0.1 1 10 100
Abstand zu Reaktor L [km]
perfekte L/E
Auflösung
Abstand L = 1 km
Wa
hrs
ch
ein
lich
ke
it P
ee 1
0.8
0.6
0.4
0.2
Double
Chooz,
France
Daya Bay,
China
Reaktor-Oszillationsexperimente
Reno,
Korea
q13 < 12° sin2 2q13 < 0.17 (90% CL)
q13 < 3-5° sin2 2q13 < 0.01-0.03 (90% CL)
red. Systematik2-/multi-Detektoren
CHOOZ
KIT-IEKP7 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Experiment Pth [GW] nah/fern [m] Tiefe [mwe] Masse[t] Start sin2(2q13)
Double Chooz 8.7 410 / 1050 115 / 300 8.3/8.3 17.4.11 0.03
Daya Bay 17.4 360(500) /1985(1613) 260 / 910 80 24.12.11 0.01
RENO 17.3 294 / 1383 120 / 450 15.4 11.8.11 0.02
Reduktion der Systematik: Messung an naher & ferner Position
nah (290-410 m) : hohe Statistik (400-1600 n´s/T), keine Oszillation
fern (1050-1985 m): geringe Statistik (50-110 n´s/T), q13 Oszillation
nahe – ferne Rate: Verständnis der Detektor-Systematik zu < 1%!
nah: 1280 n´s / T
fern: 114 n´s / T
nah: 400 n´s / T
fern: 50 n´s / T
nah: 1580 n´s / T
fern: 90 n´s / T
Reaktor nExperimente für q13
KIT-IEKP8 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Double Chooz – Überblick
zwei identische Detektoren: nah (L = 410 m) & fern (L = 1050 m)
3-fache innere Struktur: n-Target – g-Fänger – Buffer-Volumen
3-fache Veto-Struktur: inneres µ-Veto – Stahlwand – äußeres µ-Veto
7 m
n-Target (LS+0.1%Gd)
(10.3 m³)
g-Fänger (LS)
(22.6 m³)
Buffer-Volumen
mit 390 PMTs (10´´)
(114 m³)
äußeres µ-Veto
inneres µ-Veto
(90 m3)
Stahlwand
(15 cm gegen g´s)
n-Target
7 m
g-Fänger
KIT-IEKP9 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Double Chooz - Resultate
Messungen: 101 Tage (13.4. – 18.9.2011), veröffentlicht 9.11.2011
- 4121 Ereignisse beobachtet (nur ferner Detektor)
- 4344 ± 165 Ereignisse erwartet (ohne q13-Oszillation)
Datenkeine Oszillationq13 Oszillation
Untergrund
2 4 6 8 10 E [MeV]
Ere
ign
isse
[0
.5 M
eV
] 700
600
500
400
300
200
100
50
0
-50
Resultate:
- Verhältnis erwartet/beobachtet
R = 0.944 ± 0.016stat ± 0.040syst- e+ Analyse: Rate & Spektrum
0.017 < sin2 2q13 < 0.16 (90%CL)
- ´no oscillation´ Hypothese wurde
mit 94.6% CL ausgeschlossen
- nach Fertigstellung des nahen
Detektors im Mai 2015 weitere
Reduktion systematischer Fehler
sin2 2q13 = 0.086 ± 0.041 ± 0.030
KIT-IEKP10 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
RENO Experiment
6 Reaktorblöcke 16.4 GWtherm
Yong Gwang: 靈光 (glorious light)
1280 n´s / Tag
~106 n´s in 3 a
114 n´s / Tag
~105 n´s in 3 a
naher Detektor
ferner Detektor
ferner Detektor
naher Detektor
Reaktoren
Reactor Experiment for
Neutrino Oscillations
Messungen: 229 Tage (11.8.2011 – 26.3.2012), veröffentlicht: 3.4.2012
- naher Detektor: 154.008 ne, ferner Detektor: 17.102 ne- Resultat: sin2 2q13 = 0.113 ± 0.013 (stat)± 0.013 (syst.) (≡ 4.9 s)
_ _
KIT-IEKP11 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Daya Bay Experiment - Überblick
Anordnung: ´ultimative´ Konfiguration für Reaktor-Oszillationsexperimente
- Schwerpunkt: Minimierung der systematischen Effekte
- 6 Reaktorblöcke an 3 Orten (als ´Dublette´): Daya Bay & Lin Ao-I/II
- 1 ferne Halle mit 4 Detektoren, 2 nahe Halle, jede mit 2 Detektoren
- 8 identische Detektoren für cross-checks (6 fertiggestellt & in Betrieb)
DB: 840 n´s / Tag LA: 740 n´s / T
naher Detektor
90 n´s / Tag von DB+LA
ferner Detektor
Daya Bay (DB)
2 ∙ 2.9 GW
Ling Ao (LA)
2 ∙ 2.9 GW
Ling Ao II (LA)
2 ∙ 2.9 GW
团结、奉献、信念---记大亚湾反应堆中微子实验装配工作全面展开
KIT-IEKP12 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
20 t
n-Target:
Gd-
geladener
Szintillator
20 t g-Fänger 40 t
Buffer
Daya Bay Experiment – Detektoren
innere H2O Abschirmung
Aufbau & Abschirmung der baugleichen Daya Bay Antineutrino-Detektoren
(AD)
äußere ´´
BetonAD-Gestell
KIT-IEKP13 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Daya Bay Experiment – Aufbau
Experimentelle Konfiguration
mit 6 ADs (2011)
EH=
Experimentier-
Halle (1,2,3)
KIT-IEKP14 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Messungen: 55 Tage (24.12.2011 – 17.2.2012), veröffentlicht: 8.3.2012
Daya Bay Experiment – Resultate
0 5 10
prompte Energie [MeV]
ferne EH
nahe EH800
600
400
200
0
Verh
ältnis
E
reig
nis
se [0.2
5 M
eV
]
1.2
1.0
0.8
q13 = 0
bester Fit
1.05
1.00
0.95
0.90
Phys. Rev. Lett. 108, 171803 (2012)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
gewichteter Abstand [km]
Nn
ach
gew
iesen/N
erw
art
et
6% Reduktion
_ _- naher Detektor: 80.376 ne, ferner Detektor: 10.416 ne- Resultat: sin2 2q13 = 0.092 ± 0.016 (stat)± 0.005 (syst.) (≡ 5.2 s), nur Rate
KIT-IEKP15 21.05.2015 G. Drexlin – VL0x
Daya Bay Experiment – Status heute
Datennahme bis
Ende 2017, dann
Präzision für
q13 und Dm13 bei
~ 3%
2
KIT-IEKP16 21.05.2015 G. Drexlin – VL0x
Daya Bay Experiment – Status heute
q13 ist groß!
KIT-IEKP17 21.05.2015
100
0cossin
0sincos
cos0sin
010
sin0cos
cossin0
sincos0
001
1212
1212
1313
1313
2323
2323 qq
i
i
e
e
U
G. Drexlin – VL20
3-Flavour Oszillationen: q13 & CP
generische 3 Flavour-Oszillationen Mischungswinkel q13
Motivation zukünftiger
Beschleuniger-Experimente
- Messung der leptonischen
CP-Phase (leptonische CP-Verletzung)
- Vorzeichen von Dm223
CP-Verletzung im Standardmodell
- Quark-Sektor: Phase in CKM-Matrix: sehr klein
- QCD: bisher nicht beobachtet (Axionen?)
- Leptonen: Phase in der PMNS-Matrix
- falls Majorana-n´s: 2 Majorana-Phasen a1, a2
http://www.sciencecartoonsplus.com/pages/contact.phphttp://www.sciencecartoonsplus.com/pages/contact.php
KIT-IEKP18 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Beschleuniger-Experimente
Materie Antimaterie
2. kein thermodynam. Gleichgewicht
3. B – verletzende Prozesse
Verletzung von B, L ist möglich in
GUTs, aber (B – L) bleibt erhalten!
Leptogenese ? (L-verletzender
Zerfall schwerer Majorana-n´s)
CP-Verletzung im leptonischen
Sektor (CP-Phase )
1. CP- und C-verletzende Prozesse
3 Sacharov - Kriterien
Beispiel: Neutrino-Oszillationen
Materie-
Antimaterie-
Asymmetrie
Motivation zukünftiger
Beschleuniger-Experimente
- Messung der CP-Phase
- Vorzeichen von Dm223
http://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/antimatter.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/antimatter.png
KIT-IEKP19 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
LBL-Beschleuniger-n-Experiment DUNE
DUNE: Deep Underground Neutrino Experiment
Deep Underground Science
and Engineering Laboratory
Erzeugung des n-Strahls
multi-kT
Flüssig-
Argon-
Detektor
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Raymond_Davis_1978.jpghttp://en.wikipedia.org/wiki/File:Raymond_Davis_1978.jpg
KIT-IEKP20 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
5.5 n-Masse: ß-Zerfallskinematik & 0nßß
http://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/what_mass.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/what_mass.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/antiparticles.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/antiparticles.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/give_mass.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/give_mass.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/more_three.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/more_three.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/big_questions.pnghttp://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/images/standard/big_questions.png
KIT-IEKP21 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
intrinsische Neutrino-Eigenschaften
CP-Eigenschaften: Majorana- oder Dirac-n (DL = 0,2) nM oder nD
absolute Massen: hierarchisch/quasi-degeneriert m1, m2, m3
Mischungswinkel der WMNS-Matrix qij
(komplexe) Majorana-Phasen [bei 0nßß] a2, a3
(reale) Dirac-Phase [bei n-Oszillationen]
Lebensdauern t1, t2, t3
Zerfallsmoden (radiativ, nicht-Standardmodell-Moden) Gi
magnetisches Dipolmoment (statisch/Übergangsmoment) µn
elektrisches Dipolmoment D
mittlerer quadratischer Ladungsradius ‹ r2 ›
Kopplungen an Eichbosonen & Higgs (g, W±, Z0, H) gj
Neutrinoeigenschften
intrinsische Eigenschaften der Neutrinos ne, nµ, nt welche generischen Mechanismen sind dafür verantwortlich?
- sterile Neutrinos: eV-Skala … keV-Skala (Warme Dunkle Materie)
KIT-IEKP22 21.05.2015
CP Eigenschaften
G. Drexlin – VL20
intrinsische Teilchen-Antiteilchen Symmetrie von Neutrinos?
Dirac-n und Majorana-n nur unterscheidbar falls mn ≠ 0nL
4 n Zustände
Leptonenzahl-
Erhaltung
DL = 0
Neutrino ≠ Antineutrino
nD nL
CPT CPT
Lorentz
nRnL_
nR_
Dirac Neutrino
nM2 n Zustände
Leptonenzahl-
Verletzung
DL = 2
„Neutrino = Antineutrino“
nL nR
CPT
LorentzMajorana Neutrino
KIT-IEKP23 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Neutrinomassen in der Teilchenphysik
see-saw:
schweres nH
Teilchenart Skala m [MeV]
Photon g masselos 0
Elektron e leicht 0.511
Myon µ mittel 105.6
Top-Quark t schwer 1.71 · 105
SM-Neutrino nL masselos 0
Dirac n nD sehr leicht 10-8 – 10-6
Majorana n nM sehr leicht 10-8 – 10-6
Higgsmechanismus: Teilchen erhalten Masse durch Wechselwirkung mit
skalarem Higgs-Boson, dies führt zu einer Änderung der Händigkeit
chiral linkshändiges ↔ rechtshändiges Fermion, d.h. nL,R ↔ nL,R
Higgs:
leichtes nR
KIT-IEKP24 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Neutrinomassen in der Teilchenphysik
n-Oszillations-Resultate implizieren:
- Neutrinos sind massebehaftet!
- große Mischungswinkel qij- bekannte Differenz der Massenquadrate Dm2ij- aber: keine Absolutskala der n-Massen!
KIT-IEKP25 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Neutrinomassen in der Teilchenphysik
generische Neutrinomassen-Modellequasi-degeneriertes Szenario
m1 ≈ m2 ≈ m3√Dmij
2 « mi
hierarchisches Szenario
m1 « m2 « m3
KIT-IEKP26 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
mn = 0 eV mn = 1 eV
mn = 4 eVmn = 7 eV
Wn h2 = S mn / 92 eV
primordiale Neutrinos (meV)
≡ heiße dunkle Materie
Neutrinomassen in der Kosmologie
KIT-IEKP27 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Wn h2 = S mn / 92 eV
Neutrinomassen in der Astroteilchenphysik
Tritium ß-Zerfall
KATRIN
nOszillationen
Dunkle Energie
Dunkle Materie
Baryonen
Sterne
Gas
Neutrinomassen-Szenarien
und heiße dunkle Materie
KIT-IEKP28 21.05.2015 G. Drexlin – VL20
Kosmologie
Summe Smi, HDM Wn
modellabhängig (Multiparameter)
Status: Smi < 0.6 - 2 eV
Potenzial: Smi = 20-50 meV
Planck, LSST, weak lensing
Neutrinomasse: Status und Perspektiven
Kinematik ß-Zerfall
absolute n-Masse: mn
modellunabhängig
Status: mn < 2.3 eV
Potenzial: mn = 200 meV
KATRIN, (MARE)
Suche nach 0nßß
eff. Majoranamasse mßß
modellabhängig (CP)
Status: mßß < 0.35 eV, Evidenz?
Potenzial: mßß = 20-50 meV
GERDA, EXO, CUORE,
MAJORANA, SNO+,
KamLAND-Zen, …Neutrinomassen-
experimentelle Techniken:
Status & Potenzial
