Thomas Schwetz

2002-10-07 Kopf des Monats

  Hallo! Mein Name ist Thomas Schwetz. Ich habe gerade meine Dissertation an der Universität Wien bei Prof. Walter Grimus beendet. Im Rahmen meiner Dissertation verbrachte ich ein Jahr an der Universität Valencia, Spanien in der Gruppe von Prof. J.W.F. Valle. Ab Oktober 2002 arbeite ich als Postdoc an der TU München mit Prof. Manfred Lindner.

Ich beschäftige mich mit Neutrinophysik, im Besonderen mit Neutrino-Oszillationen. Dies ist ein quantenmechanischer Effekt, der auftritt, wenn die Neutrinos Massen besitzen. Man kennt zur Zeit drei verschiedene "Neutrino-Flavours", nämlich Elektron-, Myon- und  Tau-Neutrino. Wenn nun die Wechselwirkungszustände, in denen Neutrinos erzeugt oder detektiert werden, nicht mit den Massenzuständen übereinstimmen spricht man von Neutrinomischung. In diesem Fall kann es zwischen Erzeugung und Detektion eines Neutrinos zu einer Veränderung des Neutrino-Flavours kommen. Die Oszillationswahrscheinlichkeit ist abhänging von der Neutrinomischung, der Differenz der Neutrinomassenquadraten, der Neutrino-Energie und dem Abstand zwischen Erzeugung und Detektion der Neutrinos. Zur Zeit gibt es drei experimentelle Hinweise auf Neutrino-Oszillationen:

  • Sonnen-Neutrinos: Seit den 60er Jahren beobachtet man Neutrinos, die im Inneren der Sonne entstehen. Der gemessene Fluss an Elektron-Neutrinos ist jedoch deutlich kleiner als von Sonnenmodellen vorhergesagt. Kürzlich wurde durch das  SNO Experiment in Kanada bewiesen, dass die Elektron-Neutrinos am Weg von der Sonne zur Erde in Myon- und/oder Tau-Neutrinos umgewandelt werden.
  • Atmosphärische Neutrinos: Durch das Auftreffen der kosmischen Strahlung auf die Erdatmophäre entstehen Neutrinos. 1998 konnte im Experiment  Super-Kamiokande  in Japan durch die Messung dieser Neutrinos gezeigt werden, dass die atmosphärischen Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos oszillieren.
  • Das LSND Experiment: In diesem  Beschleunigerexperiment in Los Alamos, USA, werden Oszillationen von Anti-Myon-Neutrinos in Anti-Elektron-Neutrinos beobachtet.
Diese drei Hinweise können durch Neutrino-Oszillationen mit folgenden Massenquadrat-Differenzen beschrieben werden Sonnen-Neutrinos: 10e-4 eV², atmosphärische Neutrinos: 3 x 10e-3 eV² und LSND: 1 eV². Drei Differenzen unterschiedlicher Größenordnung können mit den drei bekannten Neutrinos nicht erreicht werden. Darum führt man ein viertes Neutrino ein. Dieses zusätzliche Neutrino darf keine Wechselwirkung mit dem Z-Boson besitzen, da Experimente am LEP zeigen, dass genau drei Neutrinos an das Z-Boson koppeln. Daher nennt man das vierte Neutrino steriles Neutrino - im Gegensatz zu den aktiven Neutrinos des Standard Modells. Die sechs Möglichkeiten die 4 Neutrinomassen anzuordnen, um die benötigten Massendifferenzen zu erhalten, sind in der folgendend Abbildung schematisch dargestellt. Man unterteilt die sechs 4-Neutrinospektren in zwei unterschiedliche Klassen, die man (3+1) und (2+2) Spektren nennt:

In meiner Dissertation habe ich mich ausführlich mit Vier-Neutrino-Oszillationen beschäftigt. Es wurde eine detailierte statistische Analyse aller relevanten experimentellen Daten durchgeführt. In Zusammenarbeit mit der Gruppe in Valencia wurden solar und atmosphärische Neutrinodaten mit dem LSND Experiment kombiniert. Darüber hinaus wurden auch Daten von Experimenten, die keine Neutrino-Oszillationen beobachten, im Fit berücksichtigt. Das Ergebnis dieser Analyse ist, dass Neutrino-Oszillationen in Vier-Neutrinospektren keine befriedigende Erklärung der Daten ermöglichen, da in allen Fällen gewisse Experimente zueinander in Widerspruch stehen:

In (3+1) Spektren stehen die Schranken von Experimenten die keine Oszillationen beobachten in Widerspruch zum LSND Experiment, während sich in (2+2) Spektren solare und atmosphärische Daten widersprechen. In (2+2) Spektren müsste das sterile Neutrino prominent entweder in solaren oder atmosphärischen Oszillationen auftreten. Da in beiden Fällen die Daten Oszillationen in aktive Neutrinos deutlich bevorzugen, ermöglichen diese Spektren keine befriedigende Erklärung der Experimente. Unsere Ergebnisse legen den Schluss nahe, dass einer der drei Hinweise auf Oszillationen (vermutlich das LSND Experiment), durch einen anderen, bisher unbekannten Effekt erklärt werden muß.

Die Neutrinophysik ist ein sehr aktiver Teil der Elementarteilchenphysik. Neutrino-Oszillationen stellen erstmals einen gesicherten Hinweis über Physik jenseits des Standard Modells dar. In naher Zukunft erwarten wir neue experimentelle Daten, die entscheidend zur Erforschung der Eigenschaften der Neutrinos beitragen werden. Insbesondere das  KamLAND Reaktorexperiment in Japan wird entscheidend zur Lösung des solaren Neutrinoproblems beitragen, und MiniBooNE wird die Ergebnisse des LSND Experiments überprüfen. In weiterer Zukunft könnten Großprojekte - sogenannte Neutrino Factories - eine detailierte Erforschung der Neutrinos ermöglichen.

Persönlich bin ich schon sehr gespannt auf neue Ergebnisse von Neutrinoexperimenten, und ich freue mich auf die Zusammenarbeit mit der Gruppe an der TU-München.

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