Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Neutrinos aus Himmel und HNeutrinos aus Himmel und Hölleölle
Neutrinos ausHimmel und HölleNeutrinos ausHimmel und Hölle
Georg RaffeltMax-Planck-Institut für PhysikMünchen
Georg RaffeltMax-Planck-Institut für PhysikMünchen
Physik Modern 6. Nov 2008Ludwig-Maximilians-UniversitätPhysik Modern 6. Nov 2008Ludwig-Maximilians-Universität
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Periodensystem der ElementarteilchenPeriodensystem der Elementarteilchen
QuarksQuarks LeptonenLeptonen
Ladung +2/3 Ladung +2/3
Up Up
Ladung Ladung −−1/3 1/3
Down Down
Ladung Ladung −−1 1
Elektron Elektron
Ladung Ladung 00
ee--Neutrino Neutrino ννeeeedduu
NeutronNeutron
ProtonProton
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Periodensystem der ElementarteilchenPeriodensystem der Elementarteilchen
QuarksQuarks LeptonenLeptonen
Ladung +2/3 Ladung +2/3
Up Up
Ladung Ladung −−1/3 1/3
Down Down
Ladung Ladung −−1 1
Elektron Elektron
Ladung Ladung 00
ee--Neutrino Neutrino ννeeeedduu
NeutronNeutron
ProtonProton
QuarksQuarks LeptonenLeptonen
Ladung +2/3 Ladung +2/3
Up Up
Charm Charm
Top Top
Gravitation Gravitation
Schwache WechselwirkungSchwache Wechselwirkung
Starke Wechselwirkung Starke Wechselwirkung
Elektromagnetische WechselwirkungElektromagnetische Wechselwirkung
Ladung Ladung −−1/3 1/3
Down Down
Strange Strange
Bottom Bottom
Ladung Ladung −−1 1
Elektron Elektron
Myon Myon
Tauon Tauon
Ladung Ladung 00
ee--Neutrino Neutrino
μμ--Neutrino Neutrino
ττ--Neutrino Neutrino ννττ
ννμμ
ννeeee
μμ
ττ
dd
ss
bb
uu
cc
tt
1. Familie1. Familie
2. Familie 2. Familie
3. Familie3. Familie
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Wo treten Neutrinos in der Natur auf?Wo treten Neutrinos in der Natur auf?
AstrophysikalischeAstrophysikalischeBeschleuniger Beschleuniger Bald ?Bald ?
Urknall des Universums Urknall des Universums (Heute 330 (Heute 330 νν/cm/cm33))
Indirekte EvidenzIndirekte Evidenz
KernreaktorenKernreaktoren
TeilchenbeschleunigerTeilchenbeschleuniger
ErdatmosphErdatmosphäreäre(Kosmische Strahlung)(Kosmische Strahlung)
SonneSonne
SupernovaeSupernovae(Kollabierende Sterne)(Kollabierende Sterne)
SN 1987ASN 1987A
Erdkruste Erdkruste (Natürliche (Natürliche Radioaktivität)Radioaktivität)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Hans Bethe (1906Hans Bethe (1906−−2005, Nobelpreis 1967)2005, Nobelpreis 1967)Thermonukleare Reaktionsraten (1938)Thermonukleare Reaktionsraten (1938)
Neutrinos aus der SonneNeutrinos aus der Sonne
Sonnenabstrahlung: 98 % LichtSonnenabstrahlung: 98 % Licht2 % Neutrinos2 % Neutrinos
Hier 66 Milliarden Neutrinos/cmHier 66 Milliarden Neutrinos/cm22 secsec
ReaktionsReaktions--kettenketten
EnergieEnergie26.7 MeV26.7 MeV
HeliumHelium
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Sonnenbrille für Neutrinos?Sonnenbrille für Neutrinos?
Eine Bleischicht der Dicke von Eine Bleischicht der Dicke von mehreren Lichtjahren nmehreren Lichtjahren nöötigtig
Bethe & Peierls 1934Bethe & Peierls 1934„ … dies bedeutet, dass man offen„ … dies bedeutet, dass man offen--sichtlich niemals in der Lage sein sichtlich niemals in der Lage sein wird, ein Neutrino zu beobachten.”wird, ein Neutrino zu beobachten.”
8.3 Lichtminuten8.3 Lichtminuten
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Erster Nachweis (1954Erster Nachweis (1954−−1956)1956)
Fred ReinesFred Reines(1918(1918−−1998)1998)
Nobelpreis 1995Nobelpreis 1995
Clyde CowanClyde Cowan(1919(1919−−1974)1974)
DetektorDetektor--PrototypPrototyp
AntiAnti--Elektron Elektron NeutrinosNeutrinosvom vom Hanford Hanford KernreaktorKernreaktor
3 Gammas3 Gammasin Koinzidenzin Koinzidenzeνeν ppp
nnn CdCdCd
e+ee++ e-ee-- γγγ
γγγ
γγγ
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Inverser BetaInverser Beta--ZerfallZerfall(„Neutrino(„Neutrino--Einfang”)Einfang”)
600 Tonnen600 TonnenTetrachlorkohlenstoffTetrachlorkohlenstoff
Homestake SonnenneutrinoHomestake Sonnenneutrino--Observatorium (1967Observatorium (1967−−2002)2002)
Erste Messung der SonnenneutrinosErste Messung der Sonnenneutrinos
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
PhysikPhysik--Nobelpreis 2002 für NeutrinoNobelpreis 2002 für Neutrino--AstronomieAstronomie
Ray Davis Jr.Ray Davis Jr.(1914(1914−−2006)2006)
Masatoshi KoshibaMasatoshi Koshiba(*1926)(*1926)
„für Pionierbeiträge zur Astrophysik, insbeson„für Pionierbeiträge zur Astrophysik, insbeson--dere für den Nachweis kosmischer Neutrinos”dere für den Nachweis kosmischer Neutrinos”
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Tscherenkow EffektTscherenkow EffektTscherenkow Effekt
WasserWasser
Streuung oderStreuung oderReaktionReaktion
Neutrino
NeutrinoLichtLicht
LichtLicht
TscherenkowTscherenkowRingRing
Elektron oder MyonElektron oder Myon(Geladenes Teilchen)(Geladenes Teilchen)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SuperSuper--Kamiokande Neutrino DetektorKamiokande Neutrino Detektor
42 m42 m
39.3 m39.3 m
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SuperSuper--Kamiokande: Sonne im NeutrinolichtKamiokande: Sonne im Neutrinolicht
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SuperSuper--Kamiokande: Sonne im NeutrinolichtKamiokande: Sonne im Neutrinolicht
JahreszeitWinkel relativ zur Sonne
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
John BahcallJohn Bahcall1934 1934 −− 20052005
Raymond Davis Jr.Raymond Davis Jr.1914 1914 −− 20062006
Das Problem der „fehlenden” SonnenneutrinosDas Problem der „fehlenden” Sonnenneutrinos
HomestakeHomestake
ChlorineChlorine
77BeBe
88BB
CNOCNO
Messungen (1970Messungen (1970 –– 1995)1995)
Berechnung desBerechnung desSonnenneutrinoflussesSonnenneutrinoflussesaus verschiedenenaus verschiedenenQuellreaktionenQuellreaktionen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SonneSonne
DetektorDetektor
SonneSonne DetektorDetektor
„Neutrino„Neutrino--Verwandlung” des Rätsels LösungVerwandlung” des Rätsels Lösung
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„Fehlende Sonnenneutrinos” in vielen Experimenten„Fehlende Sonnenneutrinos” in vielen Experimenten
HomestakeHomestake
77BeBe
88BB
CNOCNO
ChlorChlor
Gallex/GNOGallex/GNOSAGESAGE
CNOCNO
77BeBe
pppp
88BB
GalliumGallium
ElektronElektron--Neutrino DetektorenNeutrino Detektoren
(Super(Super--))KamiokandeKamiokande
88BB
WaterWaterννee++ ee−−→→ ννee++ ee−−
SNOSNO
88BB
ννee++ dd→→pp ++ pp ++ ee−−Schweres WasserSchweres Wasser
88BB
νν ++ dd →→ pp ++ nn ++ ννSchweres WasserSchweres Wasser
Alle FlavorsAlle Flavors
SNOSNO
88BB
WasserWasserνν + + ee−−→→ νν + + ee−−
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NeutrinoNeutrino--OszillationenOszillationen
ZweiZwei--Flavor MischungFlavor Mischung ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛νν
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛θθ−θθ
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛νν
μ 2
1ecossinsincos
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛νν
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛θθ−θθ
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛νν
μ 2
1ecossinsincos
Bruno PontecorvoBruno Pontecorvo(1913(1913−−1993)1993)Erfinder derErfinder der
Neutrino OszillationenNeutrino Oszillationen
Jeder Masseneigenzustand propagiert mitJeder Masseneigenzustand propagiert mit
wobei wobei
ipzeipze
E2m
EmEp2
22 −≈−=E2
mEmEp
222 −≈−=
zE2
m2δ zE2
m2δDer Phasenunterschied bewirkt OszillationenDer Phasenunterschied bewirkt Oszillationen
OszillationsOszillations--LängeLänge ⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
δ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
δ
π2
2
2 m
eVMeV
Em5.2
m
E4⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
δ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
δ
π2
2
2 m
eVMeV
Em5.2
m
E4
sinsin22(2(2θθ))
Wahrscheinlichkeit fWahrscheinlichkeit fürür ννee →→ ννμμ
zz
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Oszillation von Reaktorneutrinos in KamLANDOszillation von Reaktorneutrinos in KamLAND
KamLANDKamLANDSzintillatorSzintillator--DetektorDetektor(1000 t)(1000 t)
Oszillationsmuster fOszillationsmuster für Elektronür Elektron--AntiAnti--NeutrinosNeutrinosals Funktion der Energie bei festem Abstandals Funktion der Energie bei festem Abstand
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
AtmosphAtmosphäärische Neutrinorische Neutrino--OszillationenOszillationen
SuperSuper--KamiokandeKamiokandemisst Neutrinoflussmisst Neutrinoflussabhabhäängig vomngig vomZenitwinkelZenitwinkel
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
AtmosphAtmosphäärische Neutrinorische Neutrino--OszillationenOszillationen
SuperSuper--KamiokandeKamiokandemisst Neutrinoflussmisst Neutrinoflussabhabhäängig vomngig vomZenitwinkelZenitwinkel
Zenitwinkelverteilung der atmosphärischenZenitwinkelverteilung der atmosphärischenNeutrinos in SuperNeutrinos in Super--KamiokandeKamiokande
Die HDie Hälfte der Myonälfte der Myon--NeutrinosNeutrinosvon unten fehlenvon unten fehlen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Japanisches „LongJapanisches „Long--Baseline (LBL)” Experiment K2KBaseline (LBL)” Experiment K2K
K2KK2KExperimentExperiment(KEK to (KEK to Kamiokande)Kamiokande)
bestbestäätigttigtatmosphatmosphärischeärischeNeutrinoNeutrino--OszillationenOszillationen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
GegenwGegenwärtigeärtige LongLong--Baseline ExperimenteBaseline Experimente
FermiLabFermiLab––Soudan (MINOS)Soudan (MINOS) CERN CERN –– Gran SassoGran Sasso
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Dunkle Energie 73%Dunkle Energie 73%(Kosmologische Konstante)(Kosmologische Konstante)
NeutrinosNeutrinos0.10.1−−2%2%
DunkleDunkleMaterie 23%Materie 23%
Normale Materie 4%Normale Materie 4%(davon nur ca. 10%(davon nur ca. 10%leuchtend) leuchtend)
Gewogen und zu leicht befundenGewogen und zu leicht befundenGewogen und zu leicht befunden
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SonnenSonnen--NeutrinoNeutrino--SpektrumSpektrum
77--Be Linie von Be Linie von Borexino (seit 2007) Borexino (seit 2007) gemessengemessen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität MünchenGeorg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007
Physik im UntergrundPhysik im Untergrund
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität MünchenGeorg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Tag der offenen Tür, MPI für Physik, München, 13. Okt. 2007
Physik im UntergrundPhysik im Untergrund
•• UnterdrUnterdrückung von Störsignalenückung von Störsignalengrundlegend für Neutrinogrundlegend für Neutrino--MessungenMessungen
•• Abschirmung kosmischer StrahlungAbschirmung kosmischer Strahlungin Untergrundlaborsin Untergrundlabors
Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SonnenSonnen--NeutrinoNeutrino--Spektroskopie mit BorexinoSpektroskopie mit Borexino
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SonnenSonnen--NeutrinoNeutrino--Spektroskopie mit BorexinoSpektroskopie mit Borexino
•• NeutrinoNeutrino--ElektronElektron--StreuungStreuung•• FlFlüssigüssig--SzintillatorSzintillator--TechnikTechnik
(~ 300 Tonnen)(~ 300 Tonnen)•• Niedrige EnergieschwelleNiedrige Energieschwelle
(~ 60 keV)(~ 60 keV)•• In Betrieb seit 16. Mai 2007In Betrieb seit 16. Mai 2007
•• Erwartetes Signal ohneErwartetes Signal ohneOszillationenOszillationen75 75 ±± 4 4 counts/100t/dcounts/100t/d
•• Erwartet mit OszillationenErwartet mit Oszillationen49 49 ±± 4 4 counts/100t/dcounts/100t/d
•• BOREXINO (Mai 2008)BOREXINO (Mai 2008)49 49 ±± 33statstat ±± 44syssys cnts/100t/dcnts/100t/darXiv:0805.3843 (25. Mai 2008)arXiv: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 SternHelioseismologie: 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 SonnenscheibeDopplergramm 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 ElementhSonnenmodell mit alten und neuen Elementhäufigkeitenäufigkeiten
SchallgeschwindingkeitSchallgeschwindingkeit DichteprofilDichteprofil
•• Spektroskopisch neu bestimmte ElementhäufigkeitenSpektroskopisch neu bestimmte Elementhäufigkeiten::Theoretische und seismische Sonnenmodelle weichen stark voneiTheoretische und seismische Sonnenmodelle weichen stark voneinander abnander ab
•• Wo liegt der Fehler?Wo liegt der Fehler?
•• Neutrinomessungen der seltenen CNO Reaktionen kann die HNeutrinomessungen der seltenen CNO Reaktionen kann die Häufigkeitäufigkeitvon Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Prinzip bestimmvon Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff im Prinzip bestimmenen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
CNO Zyklus des WasserstoffbrennensCNO Zyklus des Wasserstoffbrennens
O168O168 F17
9F179
O178O178
(p,(p,γγ)) (p,(p,γγ))
+e+eeνeν
(p,(p,αα))
(p,(p,γγ))C126C126 N13
6N136
C136C136 N14
7N147 O15
8O158
N157N157
+e+eeνeν
(p,(p,γγ)) (p,(p,γγ))
+e+eeνeν
He4He4
(p,(p,αα))
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Geoneutrinos: Worum geht es?Geoneutrinos: Worum geht es?
Wir wissen erstaunlich wenig Wir wissen erstaunlich wenig überüberdas Innere der Erdedas Innere der Erde
•• Tiefstes Bohrloch ~ 12 kmTiefstes Bohrloch ~ 12 km
•• Proben der Kruste fProben der Kruste für chemischeür chemischeAnalyse vorhanden (z.B. Vulkane)Analyse vorhanden (z.B. Vulkane)
•• Aus seismischen MessungenAus seismischen MessungenRekonstruktion des DichteprofilsRekonstruktion des Dichteprofils
•• WWärmefluss aus gemessenenärmefluss aus gemessenenTemperaturgradienten 30Temperaturgradienten 30−−44 TW44 TW(Erwartung aus kanonischem BSE(Erwartung aus kanonischem BSEModell ~ 19 TW aus Kruste undModell ~ 19 TW aus Kruste undMantel, nichts aus dem Kern)Mantel, nichts aus dem Kern)
•• Neutrinos entweichen Neutrinos entweichen ungehindertungehindert
•• Tragen Information über die chemische Zusammensetzung, radioaktTragen Information über die chemische Zusammensetzung, radioaktive ive Energieproduktion oder sogar einen hypothetischen Reaktor im Energieproduktion oder sogar einen hypothetischen Reaktor im ErdzentrumErdzentrum
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Erwartete GeoneutrinoErwartete Geoneutrino--FlFlüüssesse
S. Dye, Talk 5/25/2006S. Dye, Talk 5/25/2006BaltimoreBaltimore
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GeoneutrinosGeoneutrinos
Erwarteter GeoneutrinoErwarteter Geoneutrino--FlussFluss
ReaktorReaktor--HintergrundHintergrund
KamLAND SzintillatorKamLAND Szintillator--Detektor (1000 t)Detektor (1000 t)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
KamLAND GeoneutrinoKamLAND Geoneutrino--MessungMessung
•• Erste vorlErste vorläufige Geoneutrinoäufige Geoneutrino--Messung durchMessung durchKamLAND in 2005 (~ 2KamLAND in 2005 (~ 2--SigmaSigma--Effekt)Effekt)
•• Schwierig wegen des ReaktorhintergrundsSchwierig wegen des Reaktorhintergrunds(Reaktorneutrinos sind Hauptzweck von(Reaktorneutrinos sind Hauptzweck vonKamLAND wegen Neutrinooszillationen)KamLAND wegen Neutrinooszillationen)
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NeutrinoNeutrino--Monitor fMonitor für Kernreaktorenür Kernreaktoren
San Onofre KernreaktorSan Onofre Kernreaktor(Kalifornien)(Kalifornien)
•• 3.43.4 GWGW thermischethermische LeistungLeistung
•• Produziert ~ Produziert ~
•• 3800 Neutrino3800 Neutrino--ReaktionenReaktionenpro Tag in 1 mpro Tag in 1 m3 3 FlFlüssigüssig--szintillatorszintillator
Rea
ctor
Pow
er (%
)
-20
0
20
40
60
80
100
Date06/2005 10/2005 02/2006 06/2006 10/2006
Det
ecte
d A
ntin
eutr
inos
per
day
0
100
200
300
400
500
Predicted rate Reported powerObserved rate, 30 day average
Cycle 14Cycle 13outage
Cycle 13
NeutrinoNeutrino--MessungenMessungenMit SONGS1Mit SONGS1--Detektor (1mDetektor (1m33 Szintillator)Szintillator)
sec10 e21ν sec10 e21ν
•• Mit relativ kleinen Detektoren kMit relativ kleinen Detektoren können Reaktorenönnen Reaktoren“von au“von außenßen” genau ” genau überwacht werdenüberwacht werden
•• Interessant für Nuklearüberwachung durchInteressant für Nuklearüberwachung durchInternationale AtomenergiekommissionInternationale Atomenergiekommission??
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
IAEAIAEA
N.Bowden, Neutrino 2008
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Applied Antineutrino Physics 2007Applied Antineutrino Physics 2007
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Sanduleak Sanduleak −−69 20269 202
GroGroßße Magellan’sche Wolke e Magellan’sche Wolke Abstand 50 kpcAbstand 50 kpc(160.000 Lichtjahre)(160.000 Lichtjahre)
Tarantel NebelTarantel Nebel
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Sanduleak Sanduleak −−69 20269 202
GroGroßße Magellan’sche Wolke e Magellan’sche Wolke Abstand 50 kpcAbstand 50 kpc(160.000 Lichtjahre)(160.000 Lichtjahre)
Tarantel NebelTarantel Nebel
Supernova 1987ASupernova 1987A23. Februar 198723. Februar 1987
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Supernova Neutrinos 20 Jahre nach SN 1987ASupernova Neutrinos 20 Jahre nach SN 1987A
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Crab NebulaCrab Nebula
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Crab NebulaCrab Nebula
Cluster of Excellence:Origin and Structure of the Universe
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Roter RieseRoter Riese
HeliumHelium--BrennenBrennen
WasserstoffWasserstoff--BrennenBrennen
HauptreihensternHauptreihenstern
WasserstoffWasserstoff--BrennenBrennen
Sternkollaps und SupernovaSternkollaps und Supernova--ExplosionExplosion
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Roter RieseRoter Riese
HeliumHelium--BrennenBrennen
WasserstoffWasserstoff--BrennenBrennen
HauptreihensternHauptreihenstern
WasserstoffWasserstoff--BrennenBrennen
ZwiebelschalenstrukturZwiebelschalenstruktur
Entarteter EisenkernEntarteter Eisenkernρρ ≈≈ 101099 g cmg cm−−33
T T ≈≈ 101010 10 KKMMFeFe ≈≈ 1.5 M1.5 MSonneSonneRRFeFe ≈≈ 8000 km8000 km
Kollaps (Implosion)Kollaps (Implosion)
Sternkollaps und SupernovaSternkollaps und Supernova--ExplosionExplosion
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Kollaps (Implosion)Kollaps (Implosion)ExplosionExplosionNeugeborener NeutronensternNeugeborener Neutronenstern
~ 50 km~ 50 km
ProtoProto--NeutronensternNeutronensternρρ ≈≈ ρρnucnuc == 33 ××10101414 g cmg cm−−33
T T ≈≈ 30 MeV30 MeV
Neutrino Neutrino KKühlungühlung
Sternkollaps und SupernovaSternkollaps und Supernova--ExplosionExplosion
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Neugeborener NeutronensternNeugeborener Neutronenstern
~ 50 km~ 50 km
ProtoProto--NeutronensternNeutronensternρρ ≈≈ ρρnucnuc == 33 ××10101414 g cmg cm−−33
T T ≈≈ 30 MeV30 MeV
Neutrino Neutrino KKühlungühlung
GravitationsGravitations--BindungsBindungs--EnergieEnergie
EEbb ≈≈ 3 3 ×× 10105353 erg erg ≈≈ 17% M17% MSonne Sonne cc22
Dies zeigt sich als Dies zeigt sich als 99% Neutrinos99% Neutrinos
1% Kinetische Explosionsenergie1% Kinetische Explosionsenergie(1% davon in Kosm. Strahlung) (1% davon in Kosm. Strahlung)
0.01% Licht, heller als Muttergalaxie0.01% Licht, heller als Muttergalaxie
NeutrinoNeutrino--LeuchtkraftLeuchtkraft
LLνν ≈≈ 3 3 ×× 10105353 erg / 3 secerg / 3 sec≈≈ 3 3 ×× 10101919 LLSonneSonne
Energieumsatz grEnergieumsatz größer als der desößer als der desrestlichen sichtbaren Universumsrestlichen sichtbaren Universums
Sternkollaps und SupernovaSternkollaps und Supernova--ExplosionExplosion
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NeutrinoNeutrino--Signal der Supernova 1987ASignal der Supernova 1987A
Innerhalb der ZeitunsicherheitInnerhalb der Zeitunsicherheitgleichzeitige Signalegleichzeitige Signale
Kamiokande (Japan)Kamiokande (Japan)WasserWasser--TscherenkowTscherenkow--DetektorDetektor2140 Tonnen2140 TonnenZeitunsicherheit Zeitunsicherheit ±±1 min1 min
IrvineIrvine--MichiganMichigan--Brookhaven (US)Brookhaven (US)WasserWasser--TscherenkowTscherenkow--DetektorDetektor6800 Tonnen6800 TonnenZeitunsicherheit Zeitunsicherheit ±±50 ms50 ms
Baksan Szintillator TeleskopBaksan Szintillator Teleskop(Soviet Union), 200 Tonnen(Soviet Union), 200 TonnenZeitunsicherheit Zeitunsicherheit +2/+2/--54 s54 s
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
GroGroßeße Detektoren fDetektoren füür Supernovar Supernova--NeutrinosNeutrinos
SuperSuper--Kamiokande (10Kamiokande (1044))KamLAND (400)KamLAND (400)
MiniBooNEMiniBooNE(200)(200)
In Klammern Zahl der EreignisseIn Klammern Zahl der Ereignisseffür eine ür eine “typische Supernova”“typische Supernova”im Abstand von 10 kpcim Abstand von 10 kpc
LVD (400)LVD (400)Borexino (100)Borexino (100)
IceCube (10IceCube (1066))
BaksanBaksan(100)(100)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
SSuperuperNNova ova EEarly arly WWarning arning SSystem (SNEWS)ystem (SNEWS)
NeutrinoNeutrino--Detektoren geben FrühwarnungDetektoren geben Frühwarnungfür eine bevorstehende Supernovaexplosionfür eine bevorstehende Supernovaexplosionin unserer Milchstrain unserer Milchstraßeße(ein paar Stunden)(ein paar Stunden)
KoinzidenzKoinzidenzServer Server @ BNL@ BNL
SuperSuper--KK
AlarmAlarm
Others ?Others ?
LVDLVD
IceCubeIceCube
http://snews.bnl.govhttp://snews.bnl.govastroastro--ph/0406214ph/0406214
Supernova 1987ASupernova 1987AFrFrühe Lichtkurveühe Lichtkurve
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Simuliertes SupernovaSimuliertes Supernova--Signal fSignal fürür SuperSuper--KamiokandeKamiokande
Simulation eines SuperSimulation eines Super--Kamiokande SNKamiokande SN--Signals (10 kpc),Signals (10 kpc),basierend auf einem numerischen Modell (Livermore)basierend auf einem numerischen Modell (Livermore)[Totani, Sato, Dalhed & Wilson, ApJ 496 (1998) 216][Totani, Sato, Dalhed & Wilson, ApJ 496 (1998) 216]
AkkretionsAkkretions--PhasePhase
KelvinKelvin--HelmholtzHelmholtzKKühlphaseühlphase
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Standing Accretion Shock Instability (SASI)Standing Accretion Shock Instability (SASI)Mezzacappa et al., http://www.phy.ornl.gov/tsi/pages/simulationsMezzacappa et al., http://www.phy.ornl.gov/tsi/pages/simulations.html.html
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
LAGUNA LAGUNA -- Approved FP7 Design StudyApproved FP7 Design Study
LLarge arge AApparati for pparati for GGrand rand UUnification and nification and NNeutrino eutrino AAstrophysicsstrophysics(see also arXiv:(see also arXiv:0705.01160705.0116))
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
LAGUNA KollaborationLAGUNA Kollaboration
EU Finanzierung (1.7 Mio Euro) zur Evaluierung verschiedener StaEU Finanzierung (1.7 Mio Euro) zur Evaluierung verschiedener Standortendortefür ein mögliches europäisches großskaliges Neutrinofür ein mögliches europäisches großskaliges Neutrino--ObservatoriumObservatorium
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)
Victor Hess (1911)Victor Hess (1911)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)
Luftschauer:Luftschauer:101019 19 eV primäres Teilchen eV primäres Teilchen 100 Milliarden sekundäre 100 Milliarden sekundäre Teilchen auf Meereshöhe Teilchen auf Meereshöhe
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)Kosmische Strahlung („Höhenstrahlung”)
Victor Hess (1911)Victor Hess (1911)
Luftschauer:Luftschauer:101019 19 eV primäres Teilchen eV primäres Teilchen 100 Milliarden sekundäre 100 Milliarden sekundäre Teilchen auf Meereshöhe Teilchen auf Meereshöhe
Woher kommtWoher kommtdie primdie primäreäre
kosmische Strahlungkosmische Strahlung? ?
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Globales Spektrum der kosmischen StrahlungGlobales Spektrum der kosmischen Strahlung
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
NeutrinoNeutrino--Strahlen: Himmel und ErdeStrahlen: Himmel und Erde
0π0π ±π±π
γγ
pp
μνμ μνμ
μννee μννee
τμνννe τμνννe
Target:Target:Protonen oder PhotonenProtonen oder Photonen
Vergleichbare FlVergleichbare Flüsse vonüsse vonPhotonen und NeutrinosPhotonen und Neutrinos
Gleiche Flüsse allerGleiche Flüsse allerFlavors durchFlavors durchOszillationenOszillationenF. Halzen (2002)
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Kern der Aktiven Galaxie NGC 4261 Kern der Aktiven Galaxie NGC 4261
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Kern der Aktiven Galaxie NGC 4261 Kern der Aktiven Galaxie NGC 4261
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
IceCube Neutrino Teleskop am SIceCube Neutrino Teleskop am Südpolüdpol
•• 1 km1 km33 antarktisches Eisantarktisches Eismit Photosensoren instrumentiertmit Photosensoren instrumentiert
•• 40 Trossen von 80 installiert (2008)40 Trossen von 80 installiert (2008)•• Fertigstellung bis 2011 geplantFertigstellung bis 2011 geplant
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
ScottScott--AmundsenAmundsen--Station am SStation am Süüdpoldpol
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
NeutrinoNeutrino--Himmel von AMANDA (2000Himmel von AMANDA (2000−−2006)2006)
IceCube Collaboration, arXiv:0809.1646 (Sept. 2008) IceCube Collaboration, arXiv:0809.1646 (Sept. 2008)
6595 Neutrinos aus n6595 Neutrinos aus nördlichen Richtungen, von AMANDA registriert ördlichen Richtungen, von AMANDA registriert (2000(2000−−2006)2006)Vor allem atmosphVor allem atmosphärische Neutrinos, noch keine astrophysikalischen Quellenärische Neutrinos, noch keine astrophysikalischen Quellen
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
ANTARES ANTARES –– Neutrinoteleskop im MittelmeerNeutrinoteleskop im Mittelmeer
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
ANTARES ANTARES –– Neutrinoteleskop im MittelmeerNeutrinoteleskop im Mittelmeer
FertiggestelltFertiggestellt2008 2008
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Leuchtende Lebewesen der TiefseeLeuchtende Lebewesen der Tiefsee
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
KomplementaritKomplementarität ät zwischen zwischen Mittelmeer und SüdpolMittelmeer und Südpol
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Drei MittelmeerDrei Mittelmeer--PilotprojektePilotprojekte
2500 m2500 m
3500 m3500 m 4500 m4500 m
AntaresAntares NemoNemo
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Auf dem Weg zu einem kmAuf dem Weg zu einem km33 Detektor im MittelmeerDetektor im Mittelmeer
http://www.km3net.orghttp://www.km3net.org
Georg Raffelt, Max-Planck-Institut für Physik, München Physik Modern, 6. Nov 2008, Ludwig-Maximilians-Universität München
Neutrinos als astrophysikalische BotschafterNeutrinos als astrophysikalische Botschafter
AstrophysikalischeAstrophysikalischeBeschleuniger Beschleuniger Bald ?Bald ?
Urknall des Universums Urknall des Universums (Heute 330 (Heute 330 νν/cm/cm33))
Indirekte EvidenzIndirekte Evidenz
KernreaktorenKernreaktoren
TeilchenbeschleunigerTeilchenbeschleuniger
ErdatmosphErdatmosphäreäre(Kosmische Strahlung)(Kosmische Strahlung)
SonneSonne
SupernovaeSupernovae(Kollabierende Sterne)(Kollabierende Sterne)
SN 1987ASN 1987A
Erdkruste Erdkruste (Natürliche (Natürliche Radioaktivität)Radioaktivität)