Neutrinos: Ghostparticles of the Universe

Crab Nebula

Neutrinomassen und Flavor-Oszillationen

Was steckt hinter dem Physik-Nobelpreis 2015?Georg G. RaffeltMax-Planck-Institut fr Physik, Mnchen

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Physik-Nobelpreis 2015 fr Neutrino-OszillationenTakaaki Kajita (*1959)University of TokyoArthur McDonald (*1943)Queens University, Kanadafr die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen,was beweist, dass Neutrinos Masse haben

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Physik-Nobelpreise fr NeutrinosL. Lederman, M. Schwartz, J. Steinbergerfr die Neutrinostrahl-Methode und die Entdeckung des Muon-Neutrinos

F. Reines (1/2)fr die Entdeckung des Neutrinos

R. Davis, M. Koshiba (je 1/4)fr Pionierbeitrge zur Astrophysik, insbesondere fr den Nachweis kosmischer Neutrinos

T. Kajita, A. McDonaldfr die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen, was beweist, dass Neutrinos Masse haben

1988199520022015Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Paulis Erklrung des Beta-Spektrums (1930)

SpektrumBeta (Elektron) Energie

Niels Bohr:

Energie in derQuanten-Weltnicht erhalten?

Neutron(1930)

Wolfgang Pauli(19001958)Nobelpreis 1945

Neutron(1930)Neutrino(E. Amaldi)Entdeckung desNeutrons 1932(J. Chadwick)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrino Carabiner

Benannt nach einemsub-atomaren Teilchen mit fastverschwindender Masse

nGriechisch NJetzt auch in Farbe

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015NeutronProtonGravitation (Gravitonen?) Schwache Wechselwirkung (W and Z Bosonen)Periodensystem der Elementarteilchen

Elektromagnetische Wechselwirkung (Photon)Starke WW (8 Gluonen) Down Strange Bottom Electron Muon Tau e-Neutrino m-Neutrino t-Neutrino ntnmneemtdsb1. Familie2. Familie3. FamilieUp Charm Top uctQuarksLeptonenLadung -1/3 Down Ladung -1 Elektron Ladung 0 e-Neutrino needLadung +2/3 Up uHiggsGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Wo treten Neutrinos in der Natur auf?

Kernreaktoren

Teilchen-beschleuniger

Atmosphre(Kosmische Strahlung)

Erdkruste(Natrliche Radioaktivitt)

Sonne

Supernova(Sternkollaps) SN 1987AUrknall (Heute 330 n/cm3) Indirekte Evidenz

AstrophysikalischeBeschleuniger

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrinos aus der Sonne

Reaktions-kettenEnergie26.7 MeVHeliumSonnenabstrahlung: 98 % Licht 2 % NeutrinosBei uns: 66 Milliarden Neutrinos/cm2 secHans Bethe (1906-2005, Nobelpreis 1967)Thermo-nukleare Reaktionsketten (1938)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Sonnenbrille fr Neutrinos?

8.3 Lichtminuten Eine Bleischicht der Dicke von mehreren Lichtjahren ntig Bethe & Peierls 1934: dies bedeutet, dass man offensichtlich niemals ein Neutrino beobachten wirdGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Erster Nachweis an Kernreaktoren (195456)

Fred Reines(19181998)Nobelpreis 1995Clyde Cowan(19191974)

Detektor PrototypAnti-Elektron Neutrinosvom Hanford Kernreaktor3 Gammasin KoinzidenzpnCdgggGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Erste Messung von Neutrinos aus der Sonne

600 TonnenTetrachlorkohlenstoff Homestake Sonnenneutrino- Observatorium (19671994)

Inverser Beta-Zerfall(Neutrinoeinfang)

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Physik-Nobelpreis 2002 fr Neutrino-Astronomie

Ray Davis Jr.(19142006)Masatoshi Koshiba(*1926)fr Pionierbeitrge zur Astrophysik, insbeson-dere fr den Nachweis kosmischer NeutrinosGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015

Mittelwert (1970-1994) 2.56 0.16stat 0.16sys SNU(SNU = Solar Neutrino Unit = 1 Absorption / sec / 1036 Atome)Resultat des Chlor Experiments (Homestake)ApJ 496:505, 1998MittlereRateTheoretischeErwartungTheoretische Erwartung 6-9 SNUSonnen-Neutrino-Problem seit ca. 1968 Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Fehlende Sonnenneutrinos in vielen ExperimentenHomestake7Be8BCNOChlorGallex/GNOSAGECNO7Bepp8BGallium(Super-)Kamiokande8BWasserne+ e ne+ eSNO8Bne+ d p + p + eSchweres WasserGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrino-Verwandlung des Rtsels Lsung?SonneDetektorDetektorSonneGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrino-Flavor-OszillationenOszillations- Lnge

L

Bruno Pontecorvo(19131993)Vladimir Gribov(19301997)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Mischung von Neutrinos verschiedener MassenElektron-neutrinonn

nn

nnNeutrinoMasse m1NeutrinoMasse m2Neutrino-Ausbreitung als Wellen-Phnomen

Masse m2 = m1Masse m1

Masse m2 > m1Masse m1Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrino-Oszillationen

Masse m2 > m1Masse m1Oszillations-Lnge

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrino-Oszillationen

Oszillations-Lnge

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015SNO Proposal

Herbert Hwa Chen(19421987) Vorschlag 1984: Schweres Wasser als Neutrinofnger

Sieht alle Neutrinoflavors

Verfgbar in Kanada als Leihgabe der kanadischen strategischen Reserve des CANDU Reaktorprogramms

Bildung des Sudbury Neutrino Observatory Projekts (SNO)

Nach dem Tod von H. Chen (7. Nov. 1987) bernimmt Art McDonald (damals Princeton) die Leitung des Projekts

Messung des vollen Sonnenneutrinoflusses 2002

Nobelpreis fr Art McDonald 2015Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Sudbury Neutrino Observatory (SNO) 19992006

1000 Tonnen Schweres WasserNormales (leichtes) Wasser H20

Schweres Wasser D20Wasserstoffkern (Proton)Schwerer Wasserstoff(Deuterium)

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Sudbury Neutrino Observatory (SNO) 19992006SchwererWasserstoff(Deuterium)Elektron-NeutrinosSchwererWasserstoff(Deuterium) Alle Neutrino-FlavorsGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Resultat des SNO Detektors (2002)

Phys. Rev. Lett. 89:011301, 2002 (http://arXiv.org/abs/nucl-ex/0204008)Fehlende Elektron-Neutrinos kommen wirklich in den anderen Flavors an!

Arthur McDonaldQueens University, KanadaGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Reaktor-Neutrino-Oszillationen (KamLAND, Japan)

Oszillationsmuster fr Anti-Elektron-Neutrinosals Funktion der Energie bei festem Abstand (ca. 180 km)KamLAND Szintillator-Detektor (1000 t)

Abstand/Energie (km/MeV)MesspunkteErwartete berlebenswahrscheinlichkeitbasierend auf Reaktorabstndenhttp://arXiv.org/abs/1303.4667Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Tscherenkow EffektWasserNeutrinostreuung oder EinfangNeutrinoLichtLichtTscherenkow RingElektron oder Muon(Geladenes Teilchen)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Super-Kamiokande Neutrino Detektor (Seit 1996)

42 m39.3 m

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Super-Kamiokande: Sonne im Neutrinolicht

Bisher ca. 77 000 Sonnenneutrinos gemessen (19962014)

Jahreszeit

Winkel relativ zur SonneSuper-Kamiokande: Sonne im NeutrinolichtAtmosphrische Neutrinos

Erstes natrliches Neutrino: 23. Feb. 1965 23. Februar 1987: Neutrinos der SN 1987A Chase-Witwatersrand-Irvine Collaboration East Rand Proprietary Mine/South Africa

Kolar Gold Field (KGF, India) Collaboration (Japan-India-UK group)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Prsentation bei Neutrino 1998 in TakayamaNeutrino 1998, Takayama, Japan, http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/nu98/

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Prsentation bei Neutrino 1998 in TakayamaNeutrino 1998, Takayama, Japan, http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/nu98/

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Prsentation bei Neutrino 1998 in TakayamaNeutrino 1998, Takayama, Japan, http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/nu98/

Von unten (up-going) nur der halbe Fluss der Muon-Neutrinosverglichen mit down-going

Flavor-Oszillationen, und zwar der Muon-Neutrinos!

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Prsentation bei Neutrino 1998 in TakayamaNeutrino 1998, Takayama, Japan, http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/nu98/

Von unten (up-going) nur der halbe Fluss der Muon-Neutrinosverglichen mit down-going

Flavor-Oszillationen, und zwar der Muon-Neutrinos!

Takaaki Kajita University of TokyoGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Long-Baseline (LBL) Experimente

K2K Experiment(KEK to Kamiokande) und andere LBL Experimente messen genaue Oszillations- parameterGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Drei-Flavor-Mischung (normal)68%30%57%20%23%41%12%47%Kleine 1-3-Mischung ab dem Jahr 2012 an Reaktor-Experimenten gemessen(Daya Bay, Reno, Double-Chooz)2%Neueste Details z.B. unterhttp://www.nu-fit.org/Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Drei-Flavor-Mischung (invertiert)68%30%57%20%23%41%12%47%Kleine 1-3-Mischung ab dem Jahr 2012 an Reaktor-Experimenten gemessen(Daya Bay, Reno, Double-Chooz)2%Neueste Details z.B. unterhttp://www.nu-fit.org/Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Oszillieren Antineutrinos anders als Neutrinos?

Dirac-Phase verndert 3-Flavor Oszillationenzwischen Neutrinos und AntineutrinosAbstand [1000 km] fr E = 1 GeVGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Energieskalen und TeilchenmasseneVPlanckMasseGUTSkalaElektroschwacheSkalaQCDSkalaKosmologischeKonstante

See-Saw-Mechanismus(Klipp-Klapp-Mechanismus)Schwere rechtshndigeNeutrinos?Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Die Neutrino-Waage KATRIN

Misst gemeinsame Masse m fr alle Flavors (Massenunterschiede klein, siehe Oszillationen)

Beste Schranken aus Mainz & Troitsk m < 2.2 eV (95% CL)

KATRIN soll 0.2 eV erreichen

Wird derzeit aufgebaut

Datennahme soll 2016 beginnen

http://www.katrin.kit.eduTritium b-ZerfallEndpunkt-Energie18.6 keVElektronspektrumGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015KATRIN Ante Portas (25. November 2006)

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrinoloser Doppel-Beta-Zerfall

Einige Kerne zerfallen nurim bb Modus, z.B. Ge-7676Ge76Se76As0+2-2+0+

Standard 2n Mode0n Mode, ermglichtdurch Majorana MasseWird in vielen Experimentenfieberhaft gesucht! Neutrino-Masse ntig

Neutrino = Anti-NeutrinoGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Weighing Neutrinos with the Universe

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Urknall des Universums

Strukturbildung mit NeutrinosNeutrinos mit Smn = 6.9 eVStandard LCDM ModellStrukturbildung mit Gadget Code simuliertWrfelseite 256 Mpc heutiges UniversumTroels Haugblle, http://users-phys.au.dk/haugboel

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015 Pie Chart of Dark Matter of the Universe

Neutrinos 0.1-0.4%Dunkle Materieca 25%Normale Materie ca 5%(hiervon ca 10% leuchtend) Dunkle Energie ca 70% (Kosmologische Konstante)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Crab Nebula Remnant of SN 1054

Krebsnebelberrest der historischen Supernova 1054 ADGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Sternkollaps und Supernova ExplosionWasserstoff BrennenHauptreihensternHelium brennender SternHeliumBrennenWasserstoffBrennenZwiebelschalenstrukturEntarteter Eisenkern: r 109 g cm-3 T 1010 K MFe 1.5 MSonne RFe 3000 kmKollaps (Implosion)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Sternkollaps und Supernova ExplosionKollaps (Implosion)

ExplosionNeugeborener NeutronensternGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Sternkollaps und Supernova ExplosionNeugeborener NeutronensternNeutrino-khlung durchDiffusionGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Sanduleak -69 202

Sanduleak -69 202

Groe Magellansche Wolke Abstand 50 kpc (160.000 Lichtjahre)

Tarantel Nebel

Supernova 1987A23. Februar 1987

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Neutrino-Signal der Supernova 1987A

Kamiokande-II (Japan)Wasser-Tscherenkow-Detektor2140 TonnenIrvine-Michigan-Brookhaven (USA)Wasser-Tscherenkow-Detektor6800 TonnenBaksan-Szintillator-Teleskop (Russland)200 TonnenZeit in SekundenEnergie (MeV)Energie (MeV)Energie (MeV)

2002M. KoshibaGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Groe Detektoren fr Supernova-Neutrinos

Super-K (104)KamLAND (400)In Klammern Zahl der Ereignissefr eine typische SNim Abstand von 10 kpcLVD (400)Borexino (100)IceCube (106) Baksan (100) Daya Bay (100)SNO+(300) HALO (tens)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Drei Arten energiereicher kosmischer Botschafter

Kosmische Strahlung(geladene Teilchen)Gamma StrahlungNeutrinosGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015

IceCube Neutrino-Teleskop am Sdpol5160 Digitale Optische Modulein 1 km3 antarktischem Eis (komplett seit Dez. 2010)

2400 m Tiefe1400 m TiefeOberflcheGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015

AMANDAIceCubeSdpolLandebahnAmundson-Scott Station am SdpolAstronomie-SektorStationsgebudeGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015IceCube Neutrino Ernie

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Entdeckung des Jahres (2013)

Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Astrophysikalische IceCube Neutrinos

Keine klaren astrophysikalischen Quellen mehr Neutrinos ntig!Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Big is Beautiful

IceCube Gen 2 Projekt (2020+)10 Kubik-KilometerDoppelte AnzahlOptischer ModuleGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Globales Neutrino Netzwerk (GNN)

GVDAntaresKM3NeT

http://www.globalneutrinonetwork.orgIceCubeGeorg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 2015Wolfgang Pauli zu NeutrinosIch habe etwas Schreckliches getan, ich habe ein Teilchen postuliert, das man nicht nachweisen kann.

Wolfgang Pauli(19001958)Georg Raffelt, MPI Physik, MnchenPhysik Modern, Mnchen, 15. Okt. 201560Neutrinos at the center

nAstrophysik & Kosmologie Kosmische Strahlung Elementarteilchen-Physik