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Neutrino-Oszillationen
Theorie
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Erfindung
• 1930 von Pauli postuliert, um das kontinuierliche Energiespektrum des Betazerfalles zu erklären
• Von Pauli erst „Neutron“ genannt, gab ihm Fermi, welcher die Theorie des Betazerfalles erarbeitete, den Namen „Neutrino“, um Verwechslungen mit dem 1932 entdeckten Neutron zu vermeiden
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Entdeckung
• 1956 von Cowan und Reines nachgewiesen
• 1995 Nobelpeis erhalten
• 1962 Myon-Neutrino entdeckt• 1988 Nobelpreis vergeben
• 2000 Tauon-Neutrino entdeckt
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Herkunft
• Kernfusion in Sternen ~10^38 pro Sekunde• Supernova-Explosionen ~10^58• Kosmische Hintergrund Neutrinos ~56 pro Typ pro cm³• Kosmische Strahlung• Beschleuniger• Kernreaktoren• Natürlicher Zerfall
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Probleme
• Ray Davis (Nobelpreis 2002) misst im Homestake-Experiment 30 Jahre lang solare Neutrinos (insgesamt rund 2000 Stück)
• Findet aber nur rund ein Drittel des erwarteten Elektron-Neutrino-Flusses (Ordnung 10^10 pro cm² und Sekunde)
• In den (Super-) Kamiokande-Experimenten durch kosmische Strahlung entstandene Myon-Neutrinos detektiert
• Von den die Erde durchquerenden Neutrinos werden aber nur halb so viele gemessen als von den gerade von Oben kommenden
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Lösung
• Von den verschiedenen Ansätzen zur Erklärung und Lösung dieser Probleme (z.B. Fehler im Standartmodell der Sonne…) setzt sich schließlich die Idee der Neutrino-Oszillation durch
• Demnach wandeln sich die Elektron-Neutrinos auf ihren Weg zur Erde in Myon- und Tauon-Neutrinos
• Sudbury Neutrino Observatory bestätigt, dass Summe der Neutrinos aller Flavours dem erwarteten Wert entsprechen
• Auch die Messungen an den atmosphärischen Neutrinos bestätigen Oszillationsthese
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Neutrino-Oszillationen
• Schon 1957 sagte Bruno Pontecorvo Neutrino-Oszillationen theoretish voraus
• Für Oszillationen sind Massendifferenzen zwischen den Neutrinos notwendig
• Also müssen mindestens zwei eine nichtverschwindende Masse haben
• Zudem müssen die Massen-Eigenzustände gegenüber den Flavour-Eigenzuständen vermischt sein
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Flavour-Massen-Mischung
• Flavour-Zustände als Summe von Massen-Zuständen und umgekehrt
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Mischungsmatrix
• Ähnlich der Cabibbo–Kobayashi–Maskawa Matrix bei Quarks• Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata Matrix:
• Ist der Phasenfaktor δ ungleich Null tritt CP-Verletzung auf• α1 und α2 sind nur dann ungleich Null, wenn Neutrinos Majorana-
Teilchen sind
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Oszillationstheorie• Ausbreitung der Massenzustände als ebene Wellen
• Im ultra-relativistischen Limit (
) gilt
• Damit erhält man nach einigen Umformungen
• Und schließlich
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Oszillationstheorie• Die Wahrscheinlichkeit ein Neutrino, welches im Flavour-Zustand α
erzeugt wurde, sich bei einer Messung im Zustand β befindet
• Dabei ist• Falls δ=0, also keine CP-Verletzung, verschwindet die zweite
Summe
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Myon-Neutrino in der Atmosphere
• schwarz=elektron, blau=myon, rot=tau
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Größere Rolle des Elektron-Neutrinos bei Myon-Neutrino-Oszillationen über
größere Entfernungen
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Oszillation des Elektron-Neutrinos
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Aktuelle Werte
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Offene Fragen• θ13 >oder= 0, δ, α1, α2 und absolute Neutrino-Massen?
• Woher kommen diese Massen überhaupt? Denn die Kopplung ans Higgs-Feld erfordert auch rechtshändige Teilchen.– Neutrinos = Majorana-Teilchen?– Sterile rechtshändige Neutrinos?– Modifikationen des Standardmodells?
• Supersymmetrie• Triplet-Zustände• Loop-Effekte• .....
– .....• .....