Neutrinos
Ein Vortrag über die Eigenschaften von Neutrinos und Experimenten mit
Neutrinos.
Autor: Dieter Oellers
Betreuer: Prof. Böhm
1. Einleitung
• Der -Zerfall und die Neutrinohypothese
• Bis 1930: Neutrinos unbekannt
• 1930: Pauli postuliert ein weiteres Teilchen im -Zerfall, damit Energieerhaltung und Dreh-
impulserhaltung im -Zerfall gelten. Diese
mußten geringe Masse und den Spin ½ haben.
ν ν
+ +
→
+ +
→
+
−
e n
p
e p
n
2.Nachweis und Eigenschaften der Elektronneutrinos
2.1 Direkter Neutrinonachweis nach Reines-Cowan (1953)
Inverser -Zerfall:
ν + p → e
++ n
2.2 Messung der Helizität: Goldhaber (1958)
) 1 2 ;
( 1 )
1 2 ; ( 1 )
;
( J
ν.zJ
γ.z= − oder −
Vorher: (Elektron mit = 0) Nachher:
2
= 1
J
z2.2 Messung der Helizität: Versuchsaufbau
Neutrino und Gamma- Teilchen haben sowohl entgegengesetzen Spin als auch
entegegengesetze
Flugrichtung, also gleiche Helizität.
( )
( ) 1
1 +
=
−
=
e e
H H
ν
ν
2.3 Paritätsverletzung: Wu-Experiment (1957)
Lee + Yang: Nobelpreis 1957
2.4 Das Davis-Experiment (1967)
Nachweis von Elektronneutrinos.
Im Gegensatz zur Reines-Cowan-Versuch werden hier die Neutrinos selber und nicht deren Antiteilchen detektiert.
Dabei wurden die Sonnenneutrinos hauptsächlich aus dem B-Zyklus, die in großer Anzahl auf die Erde treffen über die Reaktion
Ar e
e
Cl
3737 18
17
→ +
+
−ν
nachgewiesen.
Davis: Nobelpreis 2002
Der Neutrinofluß ist aber im Vergleich zum Sonnenmodel um Faktor 2 - 3 zu niedrig.
Mehr dazu im Vortrag über Neutrino-Oszillationen.
Sonnenneutrinofluß
Tritiumzerfall
e
eHe
H →
23+
−+ ν
3 1
(
18,594 ± 0,008)
keVZur genauen Bestimmung der Neutrinomassen benutzt man heute den Tritumzerfall:
• Zerfallsenergie von
• Kleine Kernladungszahl
2.5 Massegrenzen für Elektron(anti)neutrinos
Die neuesten experimentellen Messungen für
Elektronenneutrinos ergeben eine obere Massegrenze von 3eV.
3. Das Myon
µ µ
µ µ
ν ν
ν ν
ν µ
π ν
ν µ
≠
=
+
→ +
+
→
+ + ++
e e
e
eoder
Myonen wurden im Jahr 1936 in der kosmischen Strahlung entdeckt und die Masse auf 105,7MeV bestimmt.
Mit den Myonen zusammen treten wie bei den Elektronen
Neutrinos auf. Zum Beispiel im Myonzerfall oder im Tauzerfall:
Früher: Heute:
(1962)
µ ?
ν ν
e=
a
n p
p n
+
→ +
+
→ +
+
−
µ ν
µ ν
b
n e
p
p e
n
+
→ +
+
→ +
+
−
ν ν
Um die Frage, ob es verschiedene Neutrinos gibt, oder ob sie Identische Teilchen sind, wurden folgende zwei Gruppen von Reaktionen gesucht.
Dazu hat man einen Neutrino-Strahl (z.B. am Cern) hauptsächlich aus Myonen erzeugt. Diesen Strahl besteht also zum Großteil aus Myonneutrinos. (Siehe Folie 11) Es sind aber trotzdem einige
Elektronneutrinos aus Kaonenzerfall im Strahl vorhanden.
Gilt , so ist W(a) = W(b).
Gemessen wurde aber W(a) >> W(b).
Damit ist eindeutig nachgewiesen, daß .
ν
µν
e=
ν
µν
e≠
Ledermann, Schwartz, Steinberger: Nobelpreis 1988
Neutrino-Strahl
Energiespektrum der erwarteten Neutrinos
Myonneutrinoereignis
Elektronneutrinoereignis:
− +
+
→
+ n p e
ν
e4.Die neutralen Ströme
Langezeit hat man in der schwachen WW nur geladene Ströme beobachtet. Ende der 60er Jahre wurde die
el.-magn. mit der schwachen WW vereinigt.
Diese Theorie sagte neutrale Ströme in der schwachen WW vorraus, die 1973 mittels folgender Reaktion
beobachtet wurde:
µ
µ
ν
ν + e
−→ e
−+
Vergleich:Nicht neutraler Strom
Glashow, Salam, Weinberg: Nobelpreis 1979
4.Die Entdeckung der neutralen Ströme
5.Pionen-Zerfall
ν
µµ π
ν π
+
→
+
→
−
−
−
−
e
ePionen können im Prinzip in zwei verschiedene Kanäle zerfallen.
1.
2.
Der Elektronenkanal ist aber stark unterdrückt:
( 1 . 267 0 . 023 ) 10
−4−
−
−
−
= ± •
→
→
µ π
π e
• Dies ist aufgrund der Erhaltungssätze nicht einsichtig.
• Die Ursache liegt im Spin.
• Damit Spinerhaltung gilt, müssen die Elektronen/Myonen, obwohl Linkshändig – eine Helizität von +1 annehmen. Dies ist für nicht – relativistische Teilchen, mit einer deutlich größeren Wahrschein – lichkeit möglich.
• Die Neutrinos können wegen ihrer vernachlässigbaren Masse ihre Parität nicht ändern. Die Myonen sind schwerer als die Elektronen und können daher eher ihre Helizität „verkehren“.
Erklärung der Elektronenunterdrückung
6. Das neue Lepton „Tau“
1975: Entdeckung eines weiteren Neutrinos: TAU
s MeV m
e e
e
e
15 30
, 0
26 , 0
10 )
1 , 1 6
, 290 (
03 , 1777
− +−
+ +
−
−
− +
− +
×
±
=
=
+ +
→
+ +
→ +
→ +
τ τ
τ
τ µ
τ
ν ν
τ
ν ν
µ τ
τ
τ
Entdeckung des Tau
7.Das Tauneutrino
Am Fermilab hat man mit dem DONUT (Direkt Observation of NU Tau) ein Versuch aufgebaut, um folgende Reaktionen festzustellen:
( )
µ τ ττ
ν τ
ν ν µ
τ
τ ν
−
−
−
−
−
−
→
→
+
→ +
h e
or
X N
or
Der Tauzerfall ist hierbei gut durch einen Knick in der Teilchenspur zu erkennen.
8. Der Zerfall des Z-Bosons
q q
Z l
l
Z →
++
−; Z → ν + ν ; → +
m
Zm
ν≤ 2
Die Z-Bosonen zerfallen nur über die Schwache WW und erzeugen dabei ein Leptonen/Antileptonen- oder Quark/Antiquark-Paar.
Die Verzweigungsverhältnisse der einzelnen Kanäle sind aus der Theorie bekannt. Geht man davon aus, daß man alle schweren Leptonen und
Quarks kennt, die hier entstehen können und läßt die Anzahl der Neutrinos als freien Parameter, so kann man diesen aus dem gesamten Wirkungs - querschnitts bestimmen.
Die Anzahl der Neutrinos mit ergibt sich somit zu
012 ,
0 994
,
2 ±
ν
=
N
Einige Hinweise:
• Die Masse für das Elektronneutrino ist aus Massen- bestimmungen des entsprechenden Antiteilchens übernommen. (Stichwort CPT)
• Die Massen der anderen beiden Neutrinosorten können
für Teilchen wie für Antiteilchen genauso gut bestimmt werden.
( - Zerfall)
• Für Antiteilchen gelten die gleichen Werte, nur ist die Händigkeit jeweils rechts.
