Neutrinophysik in Kürze:
Das Forschungsgebiet der Neutrinophysik liegt an der Schnittstelle zwischen Teilchenphysik, Astroteilchenphysik und Kosmologie. In den letzten Jahren gelang in zahlreichen Experimenten der Nachweis, dass Neutrinos eine sehr kleine Ruhemasse besitzen und sich Elektron-, Myon- und Tau- Neutrinos durch Neutrinooszillationen ineinander umwandeln können. Dies macht eine Erweiterung des Standardmodells erforderlich. Es zeichnet sich ab, dass die Mischungsparameter des Leptonsektors ganz anders als die des streng hierarchisch geordneten Quarksektors strukturiert sind. Von größtem Interesse ist es in den nächsten Jahren den noch fehlenden dritten Mischungswinkel zu vermessen. Danach kann die Frage angegangen werden, ob es auch im Leptonsektor CP-Verletzung gibt. Noch ungeklärt ist außerdem, ob Neutrinos und Antineutrinos identisch sind. Experimente zum neutrinolosen Doppelbeta-Zerfall können diese Frage beantworten. Auf der anderen Seite können durch die Beobachtung von Neutrinos bisher unzugängliche Informationen über astrophysikalische Prozesse, wie die Energieerzeugung in der Sonne oder Supernovaexplosionen gewonnen werden.
Woran wir forschen:
Die Forschungsgruppe Neutrinophysik ist an folgenden Experimten beteiligt:
- OPERA (LNGS, Italien)
- Double Chooz (Chooz, Frankreich)
- COBRA (LNGS, Italien)
- LAGUNA
Das OPERA Experiment untersucht die Umwandlung von Myon- zu Tau-Neutrinos. Hierzu wird vom CERN in der Schweiz ein fast reiner Myon-Neutrinostrahl über eine Strecke 732 km zum Gran Sasso Untergrundlabor in Italien geschickt. Das als Neutrinooszillation bekannte Phänomen bewirkt, dass sich einige Myon-Neutrinos in Tau-Neutrinos umwandeln. Der in einer europäisch-japanischen Kollaboration entstandene, fast 5000 Tonnen schwere OPERA Detektor ist für den direkten Nachweis der kurzlebigen, geladenen Tau-Leptonen optimiert, die in den sehr seltenen Wechselwirkungen der im Strahl entstandenen Tau-Neutrinos erzeugt werden können. Die Forschungsgruppe Neutrinophysik war maßgeblich am Aufbau des Myon-Driftröhrenspektrometers beteiligt. Derzeit beschäftigen wir uns mit dessen Betrieb und Optimierung sowie der Auswertung der Daten der elektronischen Detektoren.
Ziel des Double Chooz Experiments ist es den Mischungswinkel θ13 zu bestimmen. Dazu wird die Oszillation von Reaktorneutrinos am Französischen Kernkraftwerk Chooz mit zwei nahezu identischen Flüssigszintillationsdetektoren vermessen. Die Kenntnis von θ13 spielt eine Schlüsselrolle für das Verständnis der Struktur der Mischungsmatrix des Leptonsektors. Außerdem ist die Größe von θ13 eine wichtige Voraussetzung für die Planung von Präzisionsexperimenten zum Nachweis leptonischer CP-Verletzung. Des Weiteren untersucht das Double Chooz Experiment, ob Reaktorneutrinos zur Überwachung ziviler Kernkraftweke benutzt werden können.
Neutrinooszillationsexperimente haben in den vergangenen Jahren gezeigt, dass Neutrinos eine endliche Ruhemasse haben müssen. Die Bestimmung dieser absoluten Neutrinomasse ist allerdings noch nicht gelungen. Unbekannt ist außerdem, ob Neutrinos und Antineutrinos identisch sind (Majorana-Teilchen). Nur wenn Neutrinos Majorana-Teilchen sind, ist der neutrinolose Doppelbeta-Zerfall von Kernen möglich. Seine Rate ist dann abhängig von der absoluten Neutrinomasse. Das Experiment COBRA (Cadmium-Zinc-Telluride O-neutrino double-Beta Research Apparatus) will mit einem neuartigen Detektorkonzept nach dem 0νβ&beta-Zerfall von 116Cd suchen. Die Forschungsgruppe Neutrinophysik beschäftigt sich im Rahmen des COBRA-Experiments mit Monte-Carlo-Simulationen für ein geeignetes Shielding und mit Untersuchungen zum Verhalten von CdZnTe-Detektoren in Flüssigszintillator.
Die künftige Generation von Neutrinoexperimenten wird mehrere hundertausend Tonnen wiegen und in der Lage sein, niederenergetische Supernova-, Geo- und solare Neutrinos nachzuweisen und nach dem Protonzerfall zu suchen. Unter dem Akronym LAGUNA (LArge detector for Grand Unification and Neutrino Astrophysics) werden derzeit drei unterschiedliche Detektorkonzepte geprüft:
- LENA soll mit Flüssigszintillator betrieben werden
- MEMPHIS ist als Wasser-Cerenkov-Detektor geplant
- GLACIER setzt auf flüssiges Argon.
Die Universität Hamburg beteiligt sich an dieser europäischen Designstudie, deren Ziel es ist, das geeignetste Konzept zu ermitteln.