Neutrinos aus Himmel und Hlle 6 Nov 2008

Neutrinos aus Himmel und Hölle 6. Nov 2008 Physik Modern Ludwig-Maximilians-Universität Neutrinos aus Himmel und Hölle Georg Raffelt Max-Planck-Institut für Physik München Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Periodensystem der Elementarteilchen Quarks Ladung +2/3 Ladung Leptonen -1/3 Ladung -1 Ladung 0 1. Familie Up u Down d Elektron 2. Familie Charm c Strange s Myon e e-Neutrino ne m m-Neutrino nm 3. Familie Top t Bottom Neutron b Tauon t t-Neutrino nt Gravitation Schwache Wechselwirkung Proton Elektromagnetische Wechselwirkung Starke Wechselwirkung Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Wo treten Neutrinos in der Natur auf? Kernreaktoren Teilchenbeschleuniger Sonne Supernovae (Kollabierende Sterne) SN 1987 A Erdatmosphäre (Kosmische Strahlung) Astrophysikalische Beschleuniger Bald ? Erdkruste (Natürliche Radioaktivität) Urknall des Universums (Heute 330 n/cm 3) Indirekte Evidenz Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Neutrinos aus der Sonne Helium Reaktionsketten Energie 26. 7 Me. V Sonnenabstrahlung: 98 % Licht 2 % Neutrinos Hier 66 Milliarden Neutrinos/cm 2 sec Hans Bethe (1906 -2005, Nobelpreis 1967) Thermonukleare Reaktionsraten (1938) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Sonnenbrille für Neutrinos? 8. 3 Lichtminuten Eine Bleischicht der Dicke von mehreren Lichtjahren nötig Bethe & Peierls 1934 „ … dies bedeutet, dass man offensichtlich niemals in der Lage sein wird, ein Neutrino zu beobachten. ” Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Erster Nachweis (1954 -1956) Clyde Cowan (1919 -1974) Anti-Elektron Neutrinos vom Hanford Kernreaktor Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Fred Reines (1918 -1998) Nobelpreis 1995 n Detektor-Prototyp Cd g g p e+ e- 3 Gammas in Koinzidenz g Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Erste Messung der Sonnenneutrinos Inverser Beta-Zerfall („Neutrino-Einfang”) 600 Tonnen Tetrachlorkohlenstoff Homestake Sonnenneutrino. Observatorium (1967 -2002) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Physik-Nobelpreis 2002 für Neutrino-Astronomie Ray Davis Jr. (1914 -2006) Masatoshi Koshiba (*1926) „für Pionierbeiträge zur Astrophysik, insbesondere für den Nachweis kosmischer Neutrinos” Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Tscherenkow Effekt Licht Streuung oder Reaktion Elektron oder Myon (Geladenes Teilchen) Licht Tscherenkow Ring Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Ne utr ino Wasser Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Super-Kamiokande Neutrino Detektor 42 m 39. 3 m Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Super-Kamiokande: Sonne im Neutrinolicht Winkel relativ zur Sonne Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Jahreszeit Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Das Problem der „fehlenden” Sonnenneutrinos Homestake Chlorine 8 B Berechnung des Sonnenneutrinoflusses aus verschiedenen Quellreaktionen John Bahcall 1934 - 2005 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München CNO 7 Be Messungen (1970 – 1995) Raymond Davis Jr. 1914 - 2006 Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

„Neutrino-Verwandlung” des Rätsels Lösung Detektor Sonne Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Detektor Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Neutrino-Oszillationen Zwei-Flavor Mischung Jeder Masseneigenzustand propagiert mit wobei Der Phasenunterschied bewirkt Oszillationen Wahrscheinlichkeit für ne nm sin 2(2 q) z Oszillations. Länge Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Bruno Pontecorvo (1913 -1993) Erfinder Neutrino Oszillationen Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Oszillation von Reaktorneutrinos in Kam. LAND Oszillationsmuster für Elektron-Anti-Neutrinos als Funktion der Energie bei festem Abstand Kam. LAND Szintillator-Detektor (1000 t) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Atmosphärische Neutrino-Oszillationen Zenitwinkelverteilung der atmosphärischen Neutrinos in Super-Kamiokande misst Neutrinofluss abhängig vom Zenitwinkel Die Hälfte der Myon-Neutrinos von unten fehlen Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Japanisches „Long-Baseline (LBL)” Experiment K 2 K Experiment (KEK to Kamiokande) bestätigt atmosphärische Neutrino. Oszillationen Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Gewogen und zu leicht befunden Dunkle Energie 73% (Kosmologische Konstante) Normale Materie 4% (davon nur ca. 10% leuchtend) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Dunkle Materie 23% Neutrinos 0. 1 -2% Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Sonnen-Neutrino-Spektrum 7 -Be Linie von Borexino (seit 2007) gemessen Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Physik im Untergrund • Unterdrückung von Störsignalen grundlegend für Neutrino-Messungen • Abschirmung kosmischer Strahlung in Untergrundlabors Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, Tag der 6. offenen Nov 2008, Tür, Ludwig-Maximilians-Universität MPI für Physik, München, 13. Okt. München 2007

Sonnen-Neutrino-Spektroskopie mit Borexino • Neutrino-Elektron-Streuung • Flüssig-Szintillator-Technik (~ 300 Tonnen) • Niedrige Energieschwelle (~ 60 ke. V) • In Betrieb seit 16. Mai 2007 • Erwartetes Signal ohne Oszillationen 75 ± 4 counts/100 t/d • Erwartet mit Oszillationen 49 ± 4 counts/100 t/d • BOREXINO (Mai 2008) 49 ± 3 stat ± 4 sys cnts/100 t/d ar. Xiv: 0805. 3843 (25. Mai 2008) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Helioseismologie: Sonne als pulsierender Stern • Schwingungen der Sonne sind Schallwellen (p-Moden), • Stochastische Anregung durch Konvektionsströme • Mehr als 105 Moden (5 -Minuten Oszillationen) • Innerer Umkehrpunkt hängt stark von der Knotenzahl ab • Erlaubt Rekonstruktion des Dichte- und Temperaturprofils Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Dopplergramm der ganzen Sonnenscheibe Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Sonnenmodell mit alten und neuen Elementhäufigkeiten Schallgeschwindingkeit Dichteprofil • Spektroskopisch neu bestimmte Elementhäufigkeiten: Theoretische und seismische Sonnenmodelle weichen stark voneinander ab • Wo liegt der Fehler? • Neutrinomessungen der seltenen CNO Reaktionen kann die Häufigkeit von Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Prinzip bestimmen Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Geoneutrinos: Worum geht es? Wir wissen erstaunlich wenig über das Innere der Erde • Tiefstes Bohrloch ~ 12 km • Proben der Kruste für chemische Analyse vorhanden (z. B. Vulkane) • Aus seismischen Messungen Rekonstruktion des Dichteprofils • Wärmefluss aus gemessenen Temperaturgradienten 30 -44 TW (Erwartung aus kanonischem BSE Modell ~ 19 TW aus Kruste und Mantel, nichts aus dem Kern) • Neutrinos entweichen ungehindert • Tragen Information über die chemische Zusammensetzung, radioaktive Energieproduktion oder sogar einen hypothetischen Reaktor im Erdzentrum Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Geoneutrinos Erwarteter Geoneutrino-Fluss Kam. LAND Szintillator-Detektor (1000 t) Reaktor-Hintergrund Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Kam. LAND Geoneutrino-Messung • Erste vorläufige Geoneutrino-Messung durch Kam. LAND in 2005 (~ 2 -Sigma-Effekt) • Schwierig wegen des Reaktorhintergrunds (Reaktorneutrinos sind Hauptzweck von Kam. LAND wegen Neutrinooszillationen) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Neutrino-Monitor für Kernreaktoren San Onofre Kernreaktor (Kalifornien) Neutrino-Messungen Mit SONGS 1 -Detektor (1 m 3 Szintillator) • 3. 4 GW thermische Leistung • Mit relativ kleinen Detektoren können Reaktoren • Produziert ~ “von außen” genau überwacht werden • 3800 Neutrino-Reaktionen • Interessant für Nuklearüberwachung durch 3 pro Tag in 1 m Flüssig. Internationale Atomenergiekommission? szintillator Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

IAEA N. Bowden, Neutrino 2008 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Applied Antineutrino Physics 2007 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Sanduleak -69 202 Supernova 1987 A 23. Februar 1987 Tarantel Nebel Große Magellan’sche Wolke Abstand 50 kpc (160. 000 Lichtjahre) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Supernova Neutrinos 20 Jahre nach SN 1987 A Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Crab Nebula Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Cluster of Excellence: Origin and Structure of the Universe Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Sternkollaps und Supernova-Explosion Zwiebelschalenstruktur Hauptreihenstern Entarteter Eisenkern r 109 g cm-3 Wasserstoff-Brennen T 1010 K MFe 1. 5 MSonne RFe 8000 km Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Kollaps (Implosion) Roter Riese Helium. Brennen Wasserstoff. Brennen Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Sternkollaps und Supernova-Explosion Neugeborener Neutronenstern Kollaps Explosion (Implosion) ~ 50 km Neutrino Kühlung Proto-Neutronenstern r rnuc = 3 1014 g cm-3 T 30 Me. V Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Sternkollaps und Supernova-Explosion Neugeborener Neutronenstern ~ 50 km Gravitations-Bindungs-Energie Eb 3 1053 erg 17% MSonne c 2 Neutrino Kühlung Proto-Neutronenstern r rnuc = 3 1014 g cm-3 T 30 Me. V Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Dies zeigt sich als 99% Neutrinos 1% Kinetische Explosionsenergie (1% davon in Kosm. Strahlung) 0. 01% Licht, heller als Muttergalaxie Neutrino-Leuchtkraft Ln 3 1053 erg / 3 sec 3 1019 LSonne Energieumsatz größer als der des restlichen sichtbaren Universums Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Neutrino-Signal der Supernova 1987 A Kamiokande (Japan) Wasser-Tscherenkow-Detektor 2140 Tonnen Zeitunsicherheit 1 min Irvine-Michigan-Brookhaven (US) Wasser-Tscherenkow-Detektor 6800 Tonnen Zeitunsicherheit 50 ms Baksan Szintillator Teleskop (Soviet Union), 200 Tonnen Zeitunsicherheit +2/-54 s Innerhalb der Zeitunsicherheit gleichzeitige Signale Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Große Detektoren für Supernova-Neutrinos Mini. Boo. NE (200) LVD (400) Borexino (100) Baksan (100) Ice. Cube (106) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Super-Kamiokande (104) Kam. LAND (400) In Klammern Zahl der Ereignisse für eine “typische Supernova” im Abstand von 10 kpc Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Super. Nova Early Warning System (SNEWS) Neutrino-Detektoren geben Frühwarnung für eine bevorstehende Supernovaexplosion in unserer Milchstraße (ein paar Stunden) Super-K Ice. Cube Supernova 1987 A Frühe Lichtkurve LVD Koinzidenz Server @ BNL Alarm Others ? http: //snews. bnl. gov astro-ph/0406214 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Simuliertes Supernova-Signal für Super-Kamiokande Akkretions. Phase Kelvin-Helmholtz Kühlphase Simulation eines Super-Kamiokande SN-Signals (10 kpc), basierend auf einem numerischen Modell (Livermore) [Totani, Sato, Dalhed & Wilson, Ap. J 496 (1998) 216] Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Standing Accretion Shock Instability (SASI) Mezzacappa et al. , http: //www. phy. ornl. gov/tsi/pages/simulations. html Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

LAGUNA - Approved FP 7 Design Study Large Apparati for Grand Unification and Neutrino Astrophysics (see also ar. Xiv: 0705. 0116) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

LAGUNA Kollaboration EU Finanzierung (1. 7 Mio Euro) zur Evaluierung verschiedener Standorte für ein mögliches europäisches großskaliges Neutrino-Observatorium Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”) Woher kommt die primäre kosmische Strahlung? Luftschauer: 1019 e. V primäres Teilchen 100 Milliarden sekundäre Teilchen auf Meereshöhe Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Victor Hess (1911) Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Globales Spektrum der kosmischen Strahlung Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Neutrino-Strahlen: Himmel und Erde Target: Protonen oder Photonen Vergleichbare Flüsse von Photonen und Neutrinos F. Halzen (2002) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Gleiche Flüsse aller Flavors durch Oszillationen Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Kern der Aktiven Galaxie NGC 4261 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Ice. Cube Neutrino Teleskop am Südpol • 1 km 3 antarktisches Eis mit Photosensoren instrumentiert • 40 Trossen von 80 installiert (2008) • Fertigstellung bis 2011 geplant Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Scott-Amundsen-Station am Südpol Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Neutrino-Himmel von AMANDA (2000 -2006) 6595 Neutrinos aus nördlichen Richtungen, von AMANDA registriert (2000 -2006) Vor allem atmosphärische Neutrinos, noch keine astrophysikalischen Quellen Ice. Cube Collaboration, ar. Xiv: 0809. 1646 (Sept. 2008) Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

ANTARES – Neutrinoteleskop im Mittelmeer Fertiggestellt 2008 Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Leuchtende Lebewesen der Tiefsee Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Komplementarität zwischen Mittelmeer und Südpol Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Drei Mittelmeer-Pilotprojekte 2500 m 3500 m 4500 m Antares Nemo Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Auf dem Weg zu einem km 3 Detektor im Mittelmeer http: //www. km 3 net. org Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München

Neutrinos als astrophysikalische Botschafter Kernreaktoren Teilchenbeschleuniger Sonne Supernovae (Kollabierende Sterne) SN 1987 A Erdatmosphäre (Kosmische Strahlung) Astrophysikalische Beschleuniger Bald ? Erdkruste (Natürliche Radioaktivität) Urknall des Universums (Heute 330 n/cm 3) Indirekte Evidenz Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München