Carlo Rubbia (2012) - Neutrinos: a Golden Field for Astroparticle Physics

Neutrinos: a golden field for astroparticle physics.Carlo RubbiaCERN, Geneva, SwitzerlandInstitute for Advanced Sustainability Studies Potsdam, GermanyAbstractNeutrinos have been the origin of an impressive number of “surprises”

Thank you very much. Today I will have to be describing you something different. Something which I think is getting progressively more important which is the nature and the presence of neutrinos as a particle, astro particle physics. Now, let me say the discovery of the Higgs boson at CERN LHC, as said by Professor Veltman a minute ago, will crown the successful standard model. And will call for verifications of the Higgs boson couplings to the gauge bosons and to the fermions. The neutrino masses and oscillations represent today a main experimental evidence and a possibility, a real possibility, for physics beyond what he has so carefully described to you to be the standard model. The only elementary fermions whose basic properties are still largely unknown, neutrinos, must naturally be the one of the main priorities to complete our knowledge of the standard model. Still unknown precisely the incredible smallness of the neutrino masses, compared to those of the other elementary fermions, point out to some specific scenario which is all to be elucidated. The astrophysical importance of neutrinos of course is immense. So is their cosmic evolution. The beginning of experimental neutrino physics starts 1956 with the first observation of antineutrinos in a reactor, the Savannah River Reactor by Cowan and Fred Reines. And it took them about 40 years precisely in order to get the Nobel Prize. Fred Reines got the prize in 1995. The basic idea is a source, is a reactor. Neutrino electron from Beta-decays and rich of fission products. And there are essentially uranium isotopes which are the main responsibles. And plutonium isotopes are mainl responsibles for the producing of these Beta-decays. There are 6 neutrino electrons produced for each fission which gives you an enormous amount of neutrinos. There are 2*10^20 neutrino electrons per GeV thermal, each and every second. And we are talking about a very large amount of power. Reactors are very large. Therefore the number of neutrinos is absolutely astronomical. The detection is relatively simple. It is based on a scintillator. It's based on inverse Beta-decay. The neutrino electron plus the proton becomes a positron plus a neutron. And then what you see is the rate and you observe then the spectrum and the only possible disappearance experiment. In this graph here you see how the experiment occurs. The neutrino comes in. It hits the nucleus and produces an electron. Which is a positron which is detected and the neutron and the neutron is wandering around for a few microseconds. And then it's captured producing gamma ray captures. So the signal between the gamma ray capture and the neutron and the signal for the positron are used to detect the events in question. In these experiments you don't see any other neutrinos, as you know, because the other neutrinos are much more... are different than this. Now many years have passed by, today we have much larger... huge experiments working on neutrino. Let me mention a few of them. One is Daya Bay Experiment which is a set of 6 commercial reactor cores which uses something like 14.4 GeV of total particles. And there are antineutrino detectors indicated to have a total mass of as much as 120 tones. And the experiments are shown in this graph here. Here is the reactor and these are the places where the experiments are located. They are located underground in an axis of the order of several hundred metres of water equivalent in order to remove the cosmic ray background. This experiment is a main experiment going on in China. Another experiment worth mentioning is the RENO experiment. Similar situation, you can see there 6 huge reactors producing neutrinos. Those neutrinos are detected by a near detector at 250 metres, by a far detector under the mountain at 1.3 kilometres. And you can see here how the thing is located physically. And this whole thing is now presently operating and it is in Korea. Another important thing I like to mention at this point is the fact that developing countries like Korea and China are becoming very strong and very successful in producing most important results in this field of neutrino physics. And finally the other important thing is the combination between accelerators and neutrino detectors. Here you can see a picture of the CERN to Gran Sasso neutrino beam. A beam from CERN which you see here, a well-known lake already described by Martinus Veltman a minute ago, is emitting neutrinos which are traversing the Alps and they're coming under ground at up to 20 kilometres under the Po Valley. And then because of the rotation of the earth they come up again and they emerge in a laboratory, very large laboratory, which is located in Gran Sasso. Where you can see here the many various areas. And this is a place where the neutrinos arrive. So the neutrinos travel for something like 730 kilometres between the introduction point and the arrival point and during this distance many, many new, as you will see many, many new phenomena have occurred. Oscillation phenomena like this. Now briefly speaking, how many neutrino species there are in nature? This is the question that has already again Martinus mentioned about the fact 3 quarks in 3 families. Neutrino oscillation established a picture consistent also with the mixing of 3 physical neutrinos. Neutrino electron, neutrino muon and neutrino tau with the help of 3 mass eigenstates, v1, v2, v3 in a matrix operation. The actual masses of neutrinos are, believe it or not, so far unknown. All we know now is the difference in masses: the different mass between neutrino electron and neutrino muon or neutrino muon and neutrino tau. But we do not have the actual masses. Although we know they are very small. The sum of the strength of the couplings of all possible neutrino invisible states is observed by taking the zero particle. Take the zero particle, let it decay, in the decay process some events are not visible because neutrino is not detectable. Counting then also events which are invisible states, you can determine how many new types of neutrinos that are available. All types of neutrinos should be connected to the zero. And you find their number is actually 3. It's not 35, it's only 3. However, the question that we conclude, that the result in number of neutrinos which is 3 is only possible if the neutrino in similarity with leptons have unitary strength. You can have also some other additional elements which spread the number 3 out to a much larger number of objects. At present experimentally measure 3 weak coupling strengths are rather poorly known leaving lots of room for more exotic alternatives. And there may be, ok, some evidence for the presence of a number of anomalies, what we called anomalies, related to neutrinos which of course are highly speculative at the present moment. They are quite interesting, they are quite exciting but very speculative. And next years will be needed to confirm either yes or no experimentally. And the story which we are going to mention which is the title more or less of my talk is the question of sterile neutrinos. What are sterile neutrinos? Sterile neutrinos are a hypothetical type of neutrinos that do not interact via any of the fundamental interaction, the standard model except gravity. Since per say they will not interact electromagnetically weakly or strongly, they are extremely difficult to detect. If they are heavy enough they may also contribute to cold or dark matter and warm dark matter in the universe. Sterile neutrinos may mix with ordinary neutrinos via a mass term. Evidence may be building after several experiments. There are 2 fundamental experimental anomalies which appear to be present in this experimental data. One is a light with a mass of the order of 1 eV^2, sterile neutrino from neutrino electron observation starting from an initial neutrino mu accelerator experiment. And a second effect is neutrino disappearance. When you count the number of neutrinos coming from a nuclear reactor you find that actually you detect less neutrinos than should have been there starting from the production process. And therefore there is room for some neutrino to have disappeared. To be there and not to be directly detectable. And the same situation is also indicated with very intense megacurie electron conversion neutrino sources. Which also are objects in which you take neutrino emissions from a source and that neutrino emission from the source... You know how many there are coming from the source. You know how many you detect experimentally and you find the deficit. So those deficits are at the present moment one of the main reasons of interest and concern about the possibility of sterile neutrinos. How many are the sterile neutrinos. Again nobody knows. The argument here is an example, you see in this drawing. You have one single sterile neutrino here. You have the 3 neutrinos: neutrino tau, neutrino mu, neutrino E, in this order. Maybe there are also turn around in different order but anyway they are there. And then there is an additional sterile neutrino forth up there. This is a 3 for 1 models. Now, neutrino mu to neutrino E interaction, a very tiny level, are expected from this process because neutrino mu and sterile may interact with each other. And neutrino E and sterile also may interact with each other. And the fact is that these 2 processes are possible. And therefore you can have a situation which you see in apparent neutrino E production present in abundant, dominant neutrino mu. Because of the intermediary passing through a single neutrino scalar, sterile neutrino event, neutrino S. Now current measurements seem to indicate that perhaps not only 1 neutrino is available, there could be 2 sterile neutrinos. This is in some theoretical model. You can see here 2 sterile neutrinos getting together, together with standard 3 normal neutrinos. And they are more complicated, more difficult and nobody really knows whether nature has decided to be otherwise. Let me also point out to you that if you need to have in your hands neutrino parity violation, the presence of at least 2 neutrinos, the sterile neutrino one is preferable. Now, all that is theory. Now, what about experiment. The experimental story about neutrinos, sterile neutrinos started from a so called LSND anomaly. Which is an experiment which was preformed something 20 years ago in which a very high intensity proton beam coming from a proton accelerator at LAMPF has been put on target. And in this way you produce... The pions produce muons, which are then decaying into electrons. And electrons are then associated with antineutrino E and neutrino mu oscillations in this form. And your signal which you detect in here is the presence of an anomaly of neutrino electrons in a familiar situation which started from pions and muons. You should also have neutrino, antineutrino mu. So antineutrino electrons instead of antineutrino mu. This is a very striking fact. You can see plotted here the ratio of the length of the path, divided by the energy in MeV of the neutrinos. And you can see this is metres per MeV, about 1 or 2 metres MeV. So it's a relatively short object, a few metres. And you can see here a very substantial peak, this is the signal. And all the other backgrounds are very much smaller. So you get a very strong excess of event or antineutrino electrons of unknown source. Which has 87 plus or minus 22 etc, etc. Which has a probability of occurring relatively small but not that small, 0.2%. And this gives you a 3.8 evidence for the oscillation. Such a result was there for a number of years, still unchallenged. A new experiment was developed at Fermi Lab. It's called MiniBooNE. In this experiment it's more conventional. You take a standard booster accelerator, you're producing targets for protons, protons becomes pions, pions become muons, muons go through dirt and are caught by the detector. And this experiment has also shown the presence of LSND anomaly. Both in neutrino and antineutrino. You can see that from this graph. Here is the L over E, the length divided by the energy. And you can see the neutrino, antineutrino both indicating a clear signal. The result is compelling with respect to ordinary 2 neutrino fit indicating anomalous excess. And the excess occurs about at the L over E, about 1 MeV per metre. Now this reported effect is essentially within the experimental error compatible with LSND experiments which well know was originally dominant in the antineutrino channel. You can see here both the LSND old results and the new MiniBooNE results, you see within the very large statistics and errors, maybe something is there. This is certainly a big question mark which we have to understand better. Now back to the reactor experiments. Reactor experiments are the ones which were studied initially by Cowan and Reines. You can see a general plot. All we know about, in our present day nuclear reactors, you can see here the distance, reactor distance from the reactor itself. This is 10 metres, this is 1 kilometres, this is 100 kilometres. And you can see here essentially the rate of observed over predicted neutrinos. I mean if nothing would happen, no oscillation would occur, neutrino will be a stable object. The ratio will be 1. You make so many neutrinos and you collect the same number. But indeed this is not so and this represents a very large amount of pieces of information which should becoming available. You can see for this graph for instance that there is a solar neutrino anomaly which is well known, well measured, which occurs at a mass difference which is quite small, 10^-5 eV^2. In which essentially the neutrino electrons and neutrino mus are in fact oscillating with each other. And the phenomenon of this oscillation is producing a drop in the rate of neutrino electrons which are the only ones seen by the reactor. The reactor doesn't see neutrino mu. The reactor doesn't see neutrino tau because they are not part of the... because the tau is too heavy and the mu is too heavy. But still the neutrino E is present there. So you see a cancellation, a very huge cancellation in the number of neutrinos produced by the solar neutrino anomaly. Another anomaly was discovered in the period from '86 to '98 and this is a so called atmospheric neutrino anomaly which relates essentially the neutrino mu with the neutrino tau. And you can see here a second peak right there in the experimental data and the results are in agreement. And then you have the reason for the argument today. There is a certain part which is essentially terra incognita in which you find lots of experimental results. You see them here. Which all happen to be for many, many different groups, which all happen to be some percent below the value that should be the one predicted. You can see that all these results are compatible with the event rate R, which is not 1 but is 0.93. And this is essentially an anomaly which is somehow... we have to explain: Why do we have less neutrinos out of any and every reactor that you expect to have? The reason for that must be explained and so far is unknown. A third point of information is coming from the so called gallium anomaly. The gallium anomaly is an experiment which was used to study solar neutrinos. Neutrinos from the sun were detected in experiment for instance in Gran Sasso laboratory. And in this experiment you have done some measurements with a radioactive source. A radioactive source is a neutrino source, a source in which a neutrino is emitted with a megacurie intensity. And also a similar thing was done in Russia. And the calibration signal produced by intense artificial capture processing in chromium and argon. And you can see there is the way which the detector has been detecting, relatively simple detector. And there again you find that alternate source. There are less neutrinos than you would like to have. That you can see that the ratio between the neutrinos you actually detect in the experiment and the number of neutrinos which you have produced by your source, that you have "bought", you calibrated, you generated, and this is less than 1. And this best fitted value may favour the existence of undetected sterile neutrino with certain evidence with a few standard deviations. And a broad range again. Roughly the same values which correspond to the LSND experiment and to the MiniBooNE experiment. So the mass difference squared the other one eV which is much greater than what the oscillation indicated in the curve. So the question which comes about is: Is there a unified approach here? You can see here the 2 kinds of experiments. These are the LSND anomalies indicated there which expect an antineutrino from accelerator driven. And this is a possibility which is a whole spectrum now, not well identified between the angle of sine Theta and Delta M^2. So all this area is allowed by the results coming from the LSND and MiniBooNE experiments. And then you find the gallium reactors, the gallium and the reactor sources which are producing something there. The most remarkable thing is that all these 2 elements are within this very huge area compatible with a new situation which occurs of the order of about 1 eV^2. And therefore the question is: Are they all true or some of them is true or nothing is true? Are they induced by common origin? If they are common origin it's perfectly normal to expect that because the total phenomenon of disappearance it has to be much greater because of disappearance to any possible final state. Well, here we have a specific channel in which in fact the neutrino, the mu initially produced, is transformed through neutrino sterile into neutrino electron and the probability for that has to be smaller. So the question is, is there a unified approach of that. Now, the evidence for all this as I said is mounting. Let me very briefly show to you, summarising what I said. LSND, old experiment, gave 3 point standard deviation. MiniBooNE was performed both on neutrino and antineutrino. The combination of these events is 3.8 standard deviation. The gallium absorption experiment has given us 2.7 Sigma. Reactor experiments as I've shown before... The beta-fission, beta-decay they give about 3 standard deviations. And there are some indications which are not real proof but some sort of indication from cosmology, which say that perhaps some sterile neutrinos, if it's not incompatible with cosmology. Maybe in some circumstances that could maybe even be connected to some cosmological arguments. And the combined evidence of all these things is that we find it possible overall anomaly of about 1 eV^2. And let me tell you the number for this is remarkable, its 3.8 + 3.8 + 2.7 + 3 + 2. This is something which is worth looking at and very understood. Will any of course these observations survive to a more complete analysis? The study of questions? And for that we need some detection, detector development. There is a major new detector development which is occurring now today which is a new powerful detector which is called liquid argon bubble chamber. Those people which remember the old days, old neutrino physicists, can remember that about 30 years ago an experiment was performed by a bubble chamber called Gargamelle. And that was the first real evidence that exists a neutral current. It's because the Gargamelle that we saw with some neutrino electron observed which were not supposed to be there that indeed the zero particle was a reality. And this started the whole program and this experimentally was the argument which was used in order to explain essentially a standard model as a result of it, as beautifully explained a few minutes ago by Martinus Veltman. Now, the Gargamelle bubble chamber is a very complicated. Now we have a new development which is coming out which is called electronic chamber which has very similar property of density, radiation length and collision length, in fact, it has very similar events except it's done electronically. And it uses very large amount of target. Many kilotons of detectors instead of a few tonnes. 3 tonnes was the mass of Gargamelle. And it is essentially very similar from the point of view of the dimension. Very quickly I will tell you what the basic idea of this is. Maybe I should skip all this because of time. And show you more clearly how the thing works. In this chamber you have a sort of a detector in which you measure essentially the time of a family of drift wires. And these are the number of drift wire indicated there. There's the time of the drift of the electrons, free electron in the liquid that's indicated there. And whenever there is a pulse coming after a certain delay you have a signal which you record. Those signals are all collected up by the electronic system and they become a way of reconstructing a track of an event. Let me show you. There is very large ICARUS type detectors, liquid argon detector now operating under ground in Hall B of LNGS. And it is quite a substantial hardware equipment as you can see. Very large in terms of equipment, materials and everything else. And essentially the basic element in here is essentially the fact that to make such an experiment work you need to have incredible purification of the liquid argon. Liquid argon which comes initially as part of air is containing a lot of oxygen. The oxygen is of course an electro negative gas. In order to be able to run this experiment you have to have in this site liquid argon, a few part per trillion of the mass of the system. And this is of course quite a small number. Events are reconstructed with this system. These events are perfectly identical to the events you can see in the Gargamelle bubble chamber. You can see here on top an event with a shower, on the bottom an event without a shower itself. I mean events are contained for instance in this volume here. And when you expand it you can find each and every track. So it's really a true visual detector which provides you to see everything which happens. And it will be the basic tool which will be used in order to reach this kind of explanation for these phenomena to virtual neutrinos. Now let me also point out to you the key element in this is the fact that in a liquid argon bubble chamber you can separate extremely nicely the single ionising events. Which is electron events. From a pi zero event which proves it's 2 Gammas. And you can see them separated in here. And the separation is absolutely superb. And anyway these experiments are in fact the only in this way. There is one more point which is important. We need at least 2 detectors in order to be able to detect this situation and essentially as I said the length of energy has to be the same, as observed by the pervious anomalies. You need the image detectors. There are magnetic spectrometers in there. You have to detect both neutrino and antineutrinos. And you have to collect a very huge number of events. We are talking about millions of events to study and answer these questions and identify very clearly both the neutrino mu and neutrino E phenomena. The neutrino facility at CERN is described... is under discussion now, it's described here. There are 2 detectors available. One in the near position and one in the far position and they are all liquid argon detectors. Fermi Lab is also advancing with a similar program. Here you can see 2 liquid argon detectors. One at very close, 200 metres from the accelerator, the other one at about 700 metres, 800 metres from the accelerator which is also doing similar program. Now, the important thing of this fact is that these accelerator experiments are not... are looking at 2 identical detector at different distances. And there is all Monte Carlo calculations are cancelling out. The neutrino spectra in the near and the far position are closely identical as you can see from this graph and therefore any deviation from the perfect proportionality. If you find the perfect proportionality between the 2 positions then the absence of neutrino oscillations in the neutrino is actually eliminated. Now the experiments are in fact going to look both at the LSND MiniBooNE of neutrinos, antineutrinos. They are going to look at the Gellex-Reactor, plus reactor oscillatory disappearance. An oscillatory disappearance may also be present in neutrino mu signals. And we have to compare neutrino and antineutrino to see whether there is something associated with CP violation which is behaving different from neutrino, antineutrinos. As I said at the beginning in the absence of these anomalies the signal for the detectors should be a precise copy to each other for all the experimental signatures and without the need of any calculation. If you see a difference that it is. Now these events are in fact quite remarkably different. You can see in this graph here the line of the LSND prediction window. You can see there are various places there, 1, 2, 3, 4 which are possible places in which the event may occur. And you see from the graph to the left that indeed the various values 1, 2, 3 and 4 correspond to vastly different distributions in the angle distribution observed by the liquid argon TPC. And by the way also the intrinsic neutrino E background is shown and you can see from that clearly that in fact the 2, 3 systems are quite remarkable. This really would be a real definitive experiment of this. There are lots of curves showing that things is quite correct. I will skip those. And essentially disappearances or anomalies also indicated there. So the whole system is now coming to a situation which this kind of new experiments will give us all possible solutions. Now this idea in a few more minutes will allow us to... There is a real revolution in the sterile neutrino searches. And there are several other experiments besides the one I have described which are being developed from this. There are radioactive sources by very large number of different experimental proposals throughout the world. The reactors which are repeating the measurement again, they are stopped by zero beams which are also being provided by the people. And there are decaying flight beams like the one we are doing now in CERN or Fermi Lab and others. All this enormous amount of effort is coming together. We have here seen now today that there are 114 institutions which are working on this subject. This is something of the magnitude of an LHC type experiment in terms of a total community of people. Clearly the population now is working extremely hard in order to find out whether the phenomena are true or not. Let me briefly use the 2 more minutes I have left to show you some of the other examples. Here for instance is the example of a reactor which is called Lucifer. Which is a characteristic of studying the neutrino oscillations. Very close to the target. This is done in France, in CEA. And it certainly is a device which will improve quite a bit on the measurement of this terra incognita. The other example here is the Daya Bay in China which I mentioned initially where they want to produce a very large megacurie type of radioactive source which will produce neutrinos. Those neutrinos will be produced inside this block and here there will be detectors around to collect the information in multiple source location to probe sterile oscillations. And you can see here very large magnitude detector, this is a very large swimming pool with a tremendous amount of equipment and money and effort involved in this kind of project. In fact, you can see that the fact that you can observe with a method, it's a tiny little difference between what it should be with the oscillation and without the oscillation. So the experiments are not simple. They are difficult and complicated. But the technology is really quite well advanced. You can see here the graph showing where the sterile neutrino, its appearance should be. And this is the line which theoretically you predict from the experiment, you can see maybe, maybe not, you will get an answer. Putting together all these people working on sterile neutrinos you have a complete list of them in this list shows that in fact there is a very large, rich scientific community which is now working on this subject. The idea is that sterile neutrino area is this one. And each and every one of these experiments is introducing some kind of additional information which in fact will be of great value in order to understand whether this is just something fake or whether there is a real window opportunity beyond the standard model. In fact you can see here the various alternatives which are the various types of experimental programs, the vast neutrino program. I think I will stop here, thank you very, very much for my presentation.

Vielen Dank. Ich werde Ihnen heute etwas Ungewöhnliches beschreiben. Etwas, das nach meiner Einschätzung zunehmend an Bedeutung gewinnen wird, nämlich die Beschaffenheit und Existenz von Neutrinos als Teilchen. Das ist Astroteilchenphysik. Ich würde sagen, dass die Entdeckung des Higgs-Bosons am CERN LHC, wie auch Professor Veltman eben sagte, das erfolgreiche Standardmodell krönen wird und eine Überprüfung der Higgs-Boson-Kopplungen an Eich-Bosonen und Fermionen erforderlich machen wird. Neutrinomassen und -oszillationen gelten heute als wesentlich experimentell nachgewiesen und repräsentieren eine reelle Möglichkeit für die Physik, über das hinauszugehen, was Professor Veltmann Ihnen so detailliert als das Standardmodell vorgestellt hat. Die einzigen Elementarfermionen, deren grundlegenden Eigenschaften nach wie vor größtenteils unbekannt sind, nämlich Neutrinos, müssen deshalb im Mittelpunkt stehen, wenn es darum geht, unser Wissen über das Standardmodell zu vervollständigen. Die im Vergleich zu anderen Elementarfermionen unglaublich winzigen Neutrino-Massen, die wir nach wie vor nicht genau kennen, weisen auf ein spezifisches Szenario hin, das nach Aufklärung verlangt. Die astrophysikalische Bedeutung der Neutrinos ist natürlich immens. Das gilt auch für ihre kosmische Evolution. Die Anfänge einer experimentellen Neutrino-Physik werden 1956 mit der ersten Beobachtung von Antineutrinos in einem Reaktor, dem Savannah River Reactor, durch Cowan und Fred Reines markiert. Bis zum Nobelpreis hat es dann noch exakt 40 Jahre gedauert. Fred Reines erhielt den Preis 1995. Grundidee ist eine Quelle, ein Reaktor. Ein Elektron-Neutrino aus Beta-Zerfall und reich an Spaltungsprodukten. Und die Hauptverantwortlichen sind im Wesentlichen Uranisotope. Und Plutoniumisotope sind die Hauptverantwortlichen für die Erzeugung dieses Beta-Zerfalls. Bei jeder Spaltung werden sechs Elektron-Neutrinos erzeugt, was eine enorme Neutrinomenge ergibt. Das sind 2*10^20 Elektron-Neutrinos pro GeV, thermisch, in jeder einzelnen Sekunde. Und wir reden über eine riesige Energiemenge. Die Reaktoren sind sehr groß und deshalb ist die Zahl der Neutrinos absolut astronomisch. Der Nachweis ist relativ einfach. Er basiert auf einem Szintillator. Der basiert auf einem inversen Beta-Zerfall. Das Elektron-Neutrino plus Proton wird zu einem Positron plus einem Neutron. Und was man dann sieht, ist die Rate. Und man beobachtet dann das Spektrum und das einzige mögliche Verflüchtigungsexperiment. In dieser Grafik hier sieht man, wie das Experiment abläuft. Das Neutrino ist da, kollidiert mit dem Kern und erzeugt ein Elektron, was ein Positron ist, das erfasst wird. Und das Neutron wandert einige Mikrosekunden umher und wird dann eingefangen und durch Gammastrahlenerfassung beobachtbar. Das Signal zwischen Gammastrahlenerfassung und Neutron und das Signal für das Positron werden also zur Erfassung der betreffenden Ereignisse verwendet. In diesen Experimenten beobachtet man keine anderen Neutrinos, da die anderen Neutrinos bekanntlich viel ... ganz anders sind als diese hier. Inzwischen sind viele Jahre vergangen. Heute werden wesentlich umfassendere, riesige Neutrino-Experimente durchgeführt. Ich möchte einige davon erwähnen. Eines ist das Daya-Bay-Experiment mit einer Serie von sechs kommerziellen Reaktorkernen, bei dem rund 14,4 GeV an Gesamtteilchen eingesetzt werden. Und es gibt dort Antineutrino-Detektoren mit einer angegebenen Gesamtmasse von unglaublichen 120 Tonnen. Die Experimente werden in dieser Grafik hier gezeigt. Das hier ist der Reaktor und das sind die Orte, an denen die Experimente stattfinden. Sie befinden sich unterirdisch auf einer Achse in der Größenordnung von mehreren hundert Metern Wasseräquivalent, um die kosmische Hintergrundstrahlung zu eliminieren. Dieses Experiment wird im Wesentlichen in China durchgeführt. Ein weiteres erwähnenswertes Experiment ist das RENO-Experiment. Vergleichbare Situation. Sie sehen dort sechs riesige Reaktoren, die Neutrinos erzeugen. Diese Neutrinos werden von einem nahe positionierten Detektor in 250 Metern Entfernung und von einem entfernten Detektor unter dem Berg in einer Entfernung von 1,3 Kilometern erfasst. Und Sie sehen hier den Lageplan der gesamten Anlage, die jetzt in Betrieb ist und sich in Korea befindet. Ein weiterer wichtiger Aspekt, den ich an dieser Stelle gerne erwähnen möchte, ist die Tatsache, dass aufstrebende Länder wie Korea und China auf dem Gebiet der Neutrinophysik zunehmend Stärke und Erfolg beweisen und bedeutendste Ergebnisse erzielen. Und schließlich gibt es das andere bedeutende Projekt, nämlich die Kombination aus Beschleunigern und Neutrino-Detektoren. Hier sehen Sie eine Darstellung des vom CERN nach Gran Sasso verlaufenden Neutrino-Strahls. Ein Strahl vom CERN, das hier mit dem bekannten See zu sehen ist, emittiert - wie bereits von Martinus Veltman eben beschrieben - Neutrinos, die die Alpen unterqueren und unterirdisch über 20 Kilometer die Po-Ebene passieren. Sie tauchen dann aufgrund der Erdrotation wieder auf und landen in einem Labor, in einem riesigen Labor, das sich in Gran Sasso befindet. Hier können Sie die vielen verschiedenen Bereiche sehen. Und das hier ist die Stelle, an der die Neutrinos eintreffen. Die Neutrinos legen zwischen Ausgangspunkt und Ankunftspunkt rund 730 Kilometer zurück. Und über diese Entfernung sind, wie Sie sehen werden, unendlich viele Phänomene eingetreten, beispielsweise Oszillationsphänomene. Kurz gefragt: Wie viele Neutrino-Spezies gibt es in der Natur? Das ist eine Frage, die auch Martinus im Zusammenhang mit der Tatsache von drei Quarks in drei Familien gestellt hat. Die Neutrino-Oszillation hat für ein Bild gesorgt, das eine Mischung aus drei physikalischen Neutrinos bestätigt: Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino mit Unterstützung von drei Masseneigenzuständen, v1, v2, v3, in einer Matrixfunktion. Ob Sie es glauben oder nicht: Die tatsächlichen Neutrinomassen sind bis heute unbekannt. Alles, was wir heute kennen, sind die Massenunterschiede: Die unterschiedliche Masse zwischen Elektron-Neutrino und Myon-Neutrino oder Myon-Neutrino und Tau-Neutrino. Wir kennen die tatsächlichen Massen nicht. Wir wissen aber, dass sie sehr klein sind. Die Summe der Stärke der Kopplungen aller möglichen unsichtbaren Neutrino-Zustände wird anhand des Nullteilchens beobachtet. Man nimmt das Nullteilchen und lässt es zerfallen. Im Zerfallsprozess sind einige Ereignisse nicht sichtbar, weil Neutrinos nicht erfassbar sind. Durch zusätzliche Zählung aller Ereignisse, bei denen es sich um unsichtbare Zustände handelt, kann man dann feststellen, wie viele neue Neutrino-Arten vorhanden sind. Alle Neutrino-Arten sollten mit dem Nullteilchen verbunden sein. Und dann findet man heraus, dass ihre Zahl tatsächlich bei drei liegt. Nicht bei 35, sondern bei drei. Wir kommen jedoch zu dem Schluss, dass das Ergebnis der Zahl von drei Neutrinos nur möglich ist, wenn die Neutrinos ähnlich wie Leptonen eine einheitliche Stärke aufweisen. Es sind auch andere zusätzliche Elemente denkbar, die die Zahl 3 auf eine größere Zahl von Objekten erweitern. Derzeit sind die experimentell gemessenen drei schwachen Kopplungsstärken kaum bekannt und lassen eine Menge Raum für weitere exotische Alternativen. Und es gibt im Zusammenhang mit Neutrinos einige Belege für die Existenz von zahlreichen Anomalien. Wir haben das als Anomalien bezeichnet, was natürlich zum derzeitigen Zeitpunkt äußerst spekulativ ist. Sie sind sehr interessant, sehr spannend, aber auch sehr spekulativ. Und in den nächsten Jahren wird sich experimentell bestätigen müssen, ob das stimmt oder nicht. Und die Geschichte, die wir hier erzählen wollen und die mehr oder weniger der Titel meines Vortrags ist, ist die Frage der sterilen Neutrinos. Was sind sterile Neutrinos? Sterile Neutrinos sind eine hypothetische Art von Neutrinos, die nicht über irgendeine grundlegende Wechselwirkung des Standardmodells miteinander interagieren, mit Ausnahme der Schwerkraft. Da sie per se nicht elektromagnetisch schwach oder stark interagieren, sind sie extrem schwierig zu erkennen. Sind sie schwer genug, können sie auch zur kalten oder dunklen Materie und warmen dunklen Materie im Universum beitragen. Sterile Neutrinos können sich mit normalen Neutrinos über einen Massenterm vermischen. Ein entsprechender Nachweis könnte sich nach mehreren Experimenten aufbauen. Es gibt zwei grundlegende experimentelle Anomalien, die in diesen experimentellen Daten auftreten. Eine der Anomalien betrifft die Beobachtung eines Lichts mit einer Masse in einer Größenordnung von 1 eV^2 eines sterilen Neutrinos aus einem anfänglichen My-Neutrino- Beschleunigerexperiment. Und ein zweiter anomaler Effekt ist das Verschwinden von Neutrinos. Wenn man die Neutrinos zählt, die aus einem Kernreaktor kommen, erhält man tatsächlich weniger Neutrinos, als seit Beginn des Produktionsprozesses vorhanden sein müssten. Und deshalb könnten einige Neutrinos verschwunden sein. Oder sie sind da und nicht direkt erkennbar. Die gleiche Situation zeigt sich auch bei hochintensiven Megacurie-Elektron-Neutrino-Konversionsquellen. Dabei handelt es sich ebenfalls um Konfigurationen, bei denen man Neutrino-Emissionen von einer Quelle nimmt und weiß, wie viele aus der Quelle stammen. Und man weiß auch, wie viele man experimentell erfasst hat und ermittelt daraus den Verlust. Diese Verluste sind derzeit einer der wesentlichen Gründe für das Interesse und die Beschäftigung mit der Möglichkeit steriler Neutrinos. Wie viele sterile Neutrinos sind es? Das weiß niemand. Das Argument wird hier an einem Beispiel deutlich, das auf dieser Zeichnung zu sehen ist. Es gibt hier ein einziges steriles Neutrino. Es gibt die drei Neutrinos: Tau-Neutrino, My-Neutrino, E-Neutrino, in dieser Reihenfolge. Möglicherweise auch in einer anderen Reihenfolge, aber sie sind auf jeden Fall da. Und dann gibt es ein zusätzliches steriles Neutrino, weiter oben. Dies ist ein 3-zu-1-Modell. Nun, aus diesem Prozess ist eine My-Neutrino/E-Neutrino-Interaktion auf winzigstem Niveau zu erwarten, weil das My-Neutrino und das sterile Neutrino miteinander interagieren können. Und das E-Neutrino und das sterile Neutrino können ebenfalls miteinander interagieren. Und Tatsache ist, dass diese beiden Prozesse möglich sind. Deshalb ist eine Situation denkbar, in der eine offensichtliche E-Neutrino-Produktion in einem dominanten My-Neutrino zu beobachten ist, und zwar aufgrund eines vorübergehenden Durchlaufens eines einzigen, neutrino-skaligen, sterilen Neutrino-Ereignisses, ein S-Neutrino. Aktuelle Messungen enthalten Hinweise darauf, dass möglicherweise nicht nur ein Neutrino, sondern zwei sterile Neutrinos vorhanden sein könnten. Das ist ein ziemlich theoretisches Modell. Hier sehen Sie zwei sterile Neutrinos, die mit drei normalen Standard-Neutrinos zusammenkommen. Und sie sind komplexer, schwieriger und keiner weiß wirklich, ob die Natur hier etwas anderes vorgegeben hat. Ich möchte darauf hinweisen, dass - wenn im Sinne einer Neutrino-Paritätsverletzung mindestens zwei Neutrinos präsent sein müssen - das sterile Neutrino zu bevorzugen ist. Aber das ist alles reine Theorie. Was sagen die Experimente? Die Experimente mit Neutrinos, sterilen Neutrinos begannen mit einer so genannten LSND-Anomalie. Das ist ein vor rund 20 Jahren durchgeführtes Experiment, bei dem aus einem Protonenbeschleuniger am LAMPF ein äußerst intensiver Protonenstrahl auf ein Target gerichtet wurde. Und auf diese Weise erzeugt man ... erzeugen die Pionen Myonen, die dann in Elektronen zerfallen. Und die Elektronen sind dann mit E-Antineutrino- und My-Neutrino-Oszillationen in dieser Form verbunden. Und das Signal, das Sie hier sehen, bedeutet das Vorliegen einer Anomalie von Elektronen-Neutrinos in einer vertrauten Situation, die mit Pionen und Myonen begann. Es sollten auch Neutrinos, My-Antineutrinos vorhanden sein, also Elektron-Antineutrinos statt My-Antineutrinos. Das ist sehr frappierend. Man sieht die Darstellung des Verhältnisses der Pfadlänge, geteilt durch die Neutrino-Energie in MeV. Und Sie sehen hier die Meter pro MeV, ungefähr 1 oder 2 Meter pro MeV. Das ist also ein relativ kurzes Objekt, ein paar Meter lang. Und Sie sehen hier eine auffällige Spitze, das ist das Signal. Und alle anderen Hintergrundeffekte sind wesentlich geringer. Man hat also ein Überschussereignis oder Elektron-Antineutrinos unbekannter Herkunft, mit 87 plus oder minus 22 usw., mit einer relativ geringen Ereigniswahrscheinlichkeit, die aber auch wieder nicht so gering ist, nämlich 0,2%. Und das ergibt eine Evidenz von 3,8 für die Oszillation. Ein solches Ergebnis hatte mehrere Jahre Bestand und war unbestritten. Am Fermi Lab wurde dann ein neues Experiment entwickelt. Es wird MiniBooNE genannt. Dieses Experiment ist konventioneller arrangiert. Man nimmt einen Booster-Beschleuniger, man erzeugt Targets für Protonen, Protonen werden zu Pionen, Pionen werden zu Myonen, Myonen durchdringen Schmutz und werden vom Detektor erfasst. Und auch dieses Experiment hat das Vorliegen einer LSND-Anomalie bestätigt, sowohl im Neutrino als auch im Antineutrino. Und man sieht das anhand dieser Grafik. Hier ist L/E, die Länge geteilt durch die Energie. Und Sie sehen das Neutrino, das Antineutrino, beide zeigen ein deutliches Signal. Das Ergebnis ist überzeugend in Bezug auf die normale Zwei-Neutrino-Passung, die einen anomalen Überschuss zeigt. Und der Überschuss erfolgt ungefähr bei L/E ˜ 1 MeV pro Meter. Dieser berichtete Effekt ist innerhalb experimenteller Fehler im Wesentlichen mit dem der LSND-Experimente kompatibel, die ursprünglich auf dem Gebiet des Antineutrino-Kanals bekanntlich dominiert haben. Hier sehen Sie sowohl die alten LSND-Ergebnisse als auch die neuen MiniBooNE-Resultate. Innerhalb sehr großer Statistiken und Fehler gibt es möglicherweise Auffälligkeiten. Das ist bestimmt noch ein großes Fragezeichen, das müssen wir noch besser verstehen. Nun zurück zu den Reaktorexperimenten. Reaktorexperimente wurden zunächst durch Cowan und Reines durchgeführt. Sie sehen hier eine allgemeine Darstellung, all das, was wir heute über Nuklearreaktoren wissen. Sie sehen hier die Entfernung vom Reaktor selbst. Das hier sind zehn Meter, das ist ein Kilometer, das sind 100 Kilometer. Und man sieht hier im Wesentlichen das Verhältnis zwischen beobachteten und vorausgesagten Neutrinos. Ich meine, wenn nichts passieren würde, keine Oszillation eintreten würde, wäre das Neutrino ein stabiles Objekt. Das Verhältnis wäre eins zu eins. Man erzeugt so und so viele Neutrinos und erfasst die gleiche Zahl. Aber das ist natürlich nicht so und das repräsentiert enorme Informationen, die zur Verfügung stehen sollten. Sie sehen beispielsweise in dieser Grafik, dass es eine gut bekannte, gut gemessene Sonnenneutrino-Anomalie gibt, die bei einem relativ geringen Masseunterschied eintritt, nämlich 10^-5 eV^2, bei der die Elektron-Neutrinos und My-Neutrinos tatsächlich miteinander oszillieren. Und dieses Oszillationsphänomen erzeugt einen Abfall in der Rate der Elektron-Neutrinos, die die einzigen sind, die der Reaktor erkennt. Der Reaktor erkennt keine My-Neutrinos. Der Reaktor erkennt keine Tau-Neutrinos, weil sie nicht Bestandteil von ... weil das Tau zu schwer ist und das My zu schwer ist. Aber dennoch ist das E-Neutrino vorhanden. Sie sehen also eine Verflüchtigung, eine sehr große Verflüchtigung in der Zahl der Neutrinos, die durch die Sonnenneutrino-Anomalie erzeugt wird. Eine weitere Anomalie wurde in der Zeit zwischen 1986 und 1998 entdeckt. Dabei handelt es sich um die so genannte atmosphärische Neutrino-Anomalie, die im Wesentlichen das My-Neutrino mit dem Tau-Neutrino verbindet. Und Sie sehen hier einen zweiten Spitzenwert in den experimentellen Daten und die Ergebnisse stimmen überein. Und das ist der Grund für das heutige Argument. Es gibt einen bestimmten Teil, der eigentlich eine "Terra Incognita" ist, in der man eine Menge experimenteller Ergebnisse findet. Man sieht sie hier. Sie liegen alle - und das gilt für viele, viele unterschiedliche Gruppen - einige Prozent unter dem vorausgesagten Wert. Und man sieht, dass diese Resultate alle mit der Ereignisrate R kompatibel sind, die nicht 1, aber 0,93 ist. Und das ist im Wesentlichen eine Anomalie, die wir irgendwie erklären sollten: Warum erhalten wir bei allen Reaktoren weniger Neutrinos, als zu erwarten wäre? Der Grund dafür muss gefunden werden und ist bis heute unbekannt. Ein dritter Informationsteil stammt aus der so genannten Gallium-Anomalie. Die Gallium-Anomalie ist ein Experiment, das zur Untersuchung von Sonnenneutrinos verwendet wurde. Neutrinos von der Sonne wurden beispielsweise experimentell im Labor von Gran Sasso erfasst. Und bei diesem Experiment hat man einige Messungen mit einer radioaktiven Quelle vorgenommen. Eine radioaktive Quelle ist eine Neutrino-Quelle, eine Quelle, in der ein Neutrino mit Megacurie-Intensität emittiert wird. Und etwas Ähnliches wurde auch in Russland gemacht. Das Kalibriersignal wurde durch einen intensiven, synthetischen Erfassungsprozess in Chrom und Argon erzeugt. Und Sie sehen die Funktionsweise des Detektors, ein relativ einfacher Detektor. Und auch dort hat man wieder diese alternative Quelle. Es gibt weniger Neutrinos, als man gerne hätte. Hier sehen Sie das Verhältnis zwischen der Zahl der Neutrinos, die im Experiment tatsächlich erfasst wurden, und der Zahl der mit der Quelle erzeugten Neutrinos, die man also "besorgt", kalibriert, erzeugt hat, und diese Zahl liegt unter 1. Und dieser bestens passende Wert könnte in ausreichender Sicherheit die Existenz eines unentdeckten sterilen Neutrinos mit einigen Standardabweichungen und wiederum in einem weiten Wertebereich belegen. Ungefähr die gleichen Werte, die dem LSND-Experiment und dem MiniBooNE-Experiment entsprechen. Die Massendifferenz quadriert also das andere 1 eV, was wesentlich mehr ist als das, was die Oszillation in der Kurve anzeigte. Es stellt sich also die Frage, ob es hier einen einheitlichen Ansatz gibt. Wir sehen hier die beiden Experimentarten. Das hier sind die LSND-Anomalien, die von einem Antineutrino aus dem Beschleuniger ausgehen. Und dies ist eine Möglichkeit, die jetzt aus einem gesamten, nicht gut identifizierten Spektrum zwischen dem Winkel von Sinus Theta und Delta M^2 besteht. Aus den Ergebnissen der LSND- und MiniBooNE-Experimenten wäre also dieser gesamte Bereich zulässig. Und dann hat man die Gallium-Reaktoren, das Gallium und die Reaktorquellen, die dort etwas produzieren. Das Bemerkenswerteste daran ist, dass diese beiden Elemente innerhalb dieses enorm großen Bereichs mit einer neuen Situation kompatibel sind, die in einer Größenordnung von 1 eV^2 eintritt. Und deshalb stellt sich die Frage, sind sie die Ergebnisse alle richtig oder sind einige davon richtig oder ist nichts richtig? Haben sie einen gemeinsamen Ursprung? Und wenn es einen gemeinsamen Ursprung gibt, dürfte man wohl normalerweise erwarten, dass das gesamte Verflüchtigungsphänomen viel größer sein muss als der mögliche Endzustand. Nun, wir haben hier einen speziellen Kanal, in dem tatsächlich das Neutrino, das zunächst erzeugte My durch ein steriles Neutrino in ein Elektron-Neutrino transformiert wird. Und die Wahrscheinlichkeit dafür muss geringer sein. Die Frage ist also, ob es einen einheitlichen Ansatz dafür gibt. Wie ich bereits sagte, nehmen die Hinweise auf all dies zu. Ich möchte Ihnen das, wovon ich berichtet habe, kurz in einer Zusammenfassung zeigen. LSND, das alte Experiment, ergab 3 Punkte Standardabweichung. MiniBooNE wurde sowohl mit Neutrino als auch mit Antineutrino durchgeführt. Die Kombination dieser Ereignisse ergibt eine Standardabweichung von 3,8. Das Galliumabsorptionsexperiment hat ein Sigma von 2,7 ergeben. Dann die Reaktorexperimente, wie ich Ihnen gezeigt habe ... Die Beta-Spaltung, der Beta-Zerfall, sie ergeben rund drei Standardabweichungen. Und es gibt einige Indizien dafür, keine tatsächlichen Beweise, aber Indizien aus der Kosmologie, die besagen, dass vielleicht sterile Neutrinos nicht unvereinbar mit der Kosmologie sind und sich sogar unter bestimmten Umständen mit kosmologischen Argumenten verbinden ließen. Und insgesamt besagen all diese Befunde, dass wir möglicherweise eine Gesamtanomalie von rund 1 eV^2 finden. Und ich möchte sagen, dass die Zahl dafür bemerkenswert ist, nämlich 3,8 + 3,8 + 2,7 + 3 + 2. Ein Blick darauf lohnt sich und das sollte gut verstanden werden. Werden diese Beobachtungen einer intensiveren Analyse standhalten? Einer Untersuchung spezifischer Fragen? Und dafür brauchen wir die Entwicklung neuer Detektoren. Es gibt heute eine bedeutende neue Detektorentwicklung, einen neuen leistungsstarken Detektor, der als Flüssigargon-Blasenkammer bezeichnet wird. Jeder, der sich an die alten Zeiten erinnern kann, erfahrene Neutrino-Physiker, können sich sicherlich daran erinnern, dass vor über 30 Jahren ein Experiment mit einer Blasenfalle durchgeführt wurde, die als Gargamelle bezeichnet wurde. Und das war der erste tatsächliche Nachweis für die Existenz eines neutralen Stroms. Das war möglich, weil die Gargamelle-Blasenkammer, die wir gesehen haben, einige Elektron-Neutrinos enthielt, die eigentlich dort nicht hätten sein dürfen, und das war ein Beweis dafür, dass das Nullteilchen tatsächlich existiert. Und dadurch wurde das gesamte Programm initiiert. Und dieses Experiment war das Argument, mit dem in der Folge im Wesentlichen ein Standardmodell erklärt wurde, das soeben von Martinus Veltman so gut erläutert wurde. Die Gargamelle-Blasenkammer ist eine sehr komplizierte Technik. Inzwischen gibt es eine neue Entwicklung, die als Elektronikkammer bezeichnet wird und in Bezug auf Dichte, Strahlungslänge und Kollisionslänge sehr ähnliche Merkmale aufweist. Tatsächlich erzeugt sie ganz ähnliche Ereignisse mit der Ausnahme, dass alles elektronisch erfolgt. Und sie nutzt riesige Target-Mengen. Viele Kilotonnen von Detektoren statt einiger weniger Tonnen. Drei Tonnen war die Masse für den Gargamelle. Und von den Abmessungen her ist das sehr ähnlich. Ich möchte Ihnen kurz die Grundidee der Funktionsweise erläutern. Vielleicht sollte ich all das wegen der Kürze der Zeit überspringen und Ihnen deutlicher erklären, wie das Ding funktioniert. Diese Kammer hat eine Art von Detektor, in dem man im Wesentlichen die Zeit einer Reihe von Strömungskabeln misst. Dort ist die Zahl der Strömungskabel angegeben. Das ist die Strömungszeit der Elektronen, freier Elektronen in der Flüssigkeit. Das wird hier angegeben. Und immer, wenn nach einer bestimmten Verzögerung ein Impuls auftritt, gibt es ein Signal, das aufgezeichnet wird. Diese Signale werden vom elektronischen System gesammelt und stellen eine Möglichkeit dar, ein Ereignis zu rekonstruieren. Hier sehen Sie das. Das ist der riesige ICARUS-Detektor, ein Flüssigargon-Detektor, der jetzt unterirdisch in Halle B von LNGS in Betrieb ist. Und das ist wirklich eine umfangreiche Anlage, wie Sie sehen. Enorm groß, was Ausrüstung, Materialien und alle Abmessungen betrifft. Und grundlegend ist hier, dass man für die Durchführung solcher experimenteller Arbeiten unglaublich reines Flüssigargon benötigt. Flüssigargon, ursprünglich ein Bestandteil der Luft, enthält eine Menge Sauerstoff. Sauerstoff ist natürlich ein elektro-negatives Gas. Um dieses Experiment durchführen zu können, braucht man an dieser Stelle hier Flüssigargon, einige Parts per Trillion der Masse des Systems. Und das ist wirklich eine sehr kleine Zahl. Mit diesem System werden Ereignisse rekonstruiert. Diese Ereignisse sind absolut identisch mit den Ereignissen, die man in der Gargamelle-Blasenkammer beobachten kann. Sie sehen hier oben ein Ereignis mit einem Schauer, unten ein Ereignis ohne Schauer. Ereignisse sind beispielsweise auch in diesem Volumen hier enthalten. Und wenn man das ausdehnt, kann man alle Spuren finden. Das ist also wirklich ein echt visueller Detektor, mit dem man alles beobachten kann, was passiert. Und er ist das Grundinstrument, das für diese Art von Erklärungen solcher Phänomene an virtuellen Neutrinos verwendet wird. Das wesentliche Element hier ist die Tatsache, dass man in einer Flüssigargon-Blasenkammer die einzelnen Ionisierungsereignisse, also die Elektronenereignisse, extrem gut von einem Pi-Null-Ereignis, das 2 Gammas ergibt, trennen kann. Und man kann sie hier getrennt sehen. Die Trennung ist absolut hervorragend. Und diese Experimente sind übrigens wirklich einzigartig. Es gibt einen weiteren wichtigen Aspekt. Wir benötigen mindestens zwei Detektoren, damit wir diese Situation erfassen können. Und wie ich bereits sagte, muss die Energielänge die Gleiche sein, wie bei früheren Anomalien beobachtet. Man benötigt Bilddetektoren. Es gibt dort magnetische Spektrometer. Man muss sowohl Neutrinos als auch Antineutrinos erfassen. Und man muss eine riesige Anzahl von Ereignissen erfassen. Wir sprechen dabei von Millionen von Ereignissen, die zu untersuchen und aufzuklären sind. Und dabei müssen wir sehr deutlich sowohl das My-Neutrino- als auch das E-Neutrino-E-Phänomen identifizieren. Die Neutrino-Anlage am CERN wurde beschrieben ... wird derzeit diskutiert, ist hier beschrieben. Es stehen zwei Detektoren zur Verfügung. Einer in naher Entfernung und der andere in entfernter Position. Und es sind alles Flüssigargon-Detektoren. Am Fermi Lab wird ein ähnliches Programm verfolgt. Hier sehen Sie zwei Flüssigargon-Detektoren. Einer sehr nah, 200 Meter vom Beschleuniger entfernt, der andere in einer Entfernung von rund 700, 800 Metern vom Beschleuniger entfernt, der ein ähnliches Programm durchführt. Wichtig ist hier die Tatsache, dass diese Beschleunigerexperimente nicht ... zwei identische Detektoren in unterschiedlichen Abständen beobachten. Alle Monte Carlo-Berechnungen heben sich auf. Die Neutrino-Spektren in der Nähe und in der fernen Position sind so gut wie identisch, wie man dieser Grafik entnehmen kann. Und deshalb wird auch jede Abweichung von der perfekten Proportionalität ... Wenn man die perfekte Proportionalität zwischen den beiden Positionen findet, wird tatsächlich die Abwesenheit der Neutrino-Oszillationen im Neutrino eliminiert. Sowohl die LSND- als auch die MiniBooNE-Experimente beobachten Neutrinos und Antineutrinos. Sie beobachten den Gellex-Reaktor, plus die oszillatorische Verflüchtigung am Reaktor. Eine oszillatorische Verflüchtigung kann auch in My-Neutrino-Signalen vorliegen. Und wir müssen Neutrino und Antineutrino vergleichen, um festzustellen, ob etwa eine CP-Verletzung vorliegt, die sich im Neutrino und Antineutrino unterschiedlich verhält. Wie ich bereits zu Beginn sagte, sollte das Signal für die Detektoren bei Abwesenheit dieser Anomalien für alle experimentellen Signaturen eine exakte Kopie voneinander sein und kein Berechnungsbedarf bestehen. Wenn ein Unterschied zu beobachten ist, reicht das. Diese Ereignisse weisen in der Tat ziemlich bemerkenswerte Unterschiede auf. Man sieht in dieser Grafik hier die Linie des LSND-Vorhersagefensters. Man sieht hier verschiedene Stellen, 1, 2, 3, 4. Das sind mögliche Orte, an denen das Ereignis eintreten könnte. Und man sieht in der Grafik links, dass die verschiedenen Werte 1, 2, 3 und 4 den stark differenzierten Verteilungen in der Winkelverteilung entsprechen, die vom Flüssigargon-TPC beobachtet wurden. Und übrigens wird auch der intrinsische E-Neutrino-Hintergrund gezeigt und man kann daraus deutlich entnehmen, dass in der Tat die zwei, drei Systeme wirklich bemerkenswert sind. Das wäre wirklich ein echtes, definitives Experiment dafür. Es gibt jede Menge Kurven, die zeigen, dass diese Dinge ziemlich exakt sind. Ich werde das überspringen und auch die hier ebenfalls zu sehenden Anomalien oder Verflüchtigungen. Das ganze System erreicht jetzt eine Situation, in der uns diese neuartigen Experimente alle möglichen Lösungen anbieten. Diese Vorstellung wird uns innerhalb weniger Minuten ermöglichen ... Das ist eine echte Revolution in der Erforschung von sterilen Neutrinos. Es gibt neben den von mir beschriebenen Versuchen weitere Experimente, die sich daraus entwickelt haben. Es gibt radioaktive Quellen in vielen unterschiedlichen experimentellen Konzepten weltweit. Die Reaktoren, die die Messungen wiederholen, werden durch ebenfalls bereitgestellte Null-Strahlen gestoppt. Und das sind zerfallende Flugstrahlen, wie die, die wir am CERN oder am Fermi Lab oder anderen Labors erzeugen. All diese enormen Bemühungen kommen zusammen. Wir haben hier heute gehört, dass 114 Institutionen an diesem Thema arbeiten. Das hat im Sinne der gesamten Gruppe von Menschen die Größenordnung eines LHC-artigen Experiments. Eindeutig arbeiten jetzt alle Beteiligten enorm hart daran herauszufinden, ob die Phänomene wahr sind oder nicht. Ich möchte die letzten beiden Minuten kurz nutzen, um Ihnen andere Beispiele zu zeigen. Hier ist beispielsweise ein Reaktor, der Lucifer genannt wird und charakteristisch für die Erforschung der Neutrino-Oszillationen ist. Sehr nah am Target. Das erfolgt in Frankreich am CEA. Und das ist sicherlich ein Gerät, das die Messungen dieser Terra Incognita erheblich verbessern wird. Das andere Beispiel hier ist das Daya-Bay-Experiment in China, das ich bereits anfänglich erwähnt habe. Dort will man eine riesige radioaktive Megacurie-Quelle herstellen, die Neutrinos erzeugt. Diese Neutrinos werden in diesem Block erzeugt und hier sollen Detektoren an mehreren Stellen Informationen sammeln, um die sterilen Oszillationen nachzuweisen. Und hier sehen Sie einen riesigen Detektor. Das ist ein sehr großer Swimming-Pool mit einer enormen Menge an Ausrüstung. In dieses Projekt ist viel Geld und Anstrengung geflossen. Was man letztendlich mit diesen Methoden beobachten will, ist eine winzige Differenz zwischen dem, wie es mit Oszillation und wie es ohne Oszillation aussehen sollte. Die Experimente sind also nicht einfach. Sie sind komplex und schwierig. Aber die Technologie ist tatsächlich ziemlich weit fortgeschritten. Sie sehen hier in der Grafik, wo das sterile Neutrino erscheinen sollte. Und das hier ist die Linie, die man theoretisch aus dem Experiment vorhersagt. Man wird sie beobachten oder nicht beobachten und eine Antwort erhalten. Wenn man, wie auf dieser Liste zu sehen, alle Menschen zusammennimmt, die über sterile Neutrinos arbeiten, sieht man in der Tat eine enorm große, leistungsstarke wissenschaftliche Gemeinschaft, die jetzt mit dem Thema beschäftigt ist. Dahinter steht der Gedanke, dass der Bereich des sterilen Neutrinos dieser hier ist. Und jedes dieser Experimente erbringt zusätzliche, wertvolle Informationen hinsichtlich der Frage, ob es hier nur um einen Irrtum geht oder um eine tatsächliche Möglichkeit über das Standardmodell hinaus. Sie sehen hier die verschiedenen Alternativen, die unterschiedlichen Arten von experimentellen Programmen, das riesige Neutrino-Programm. Ich denke, dass ich an diesem Punkt Schluss mache. Vielen, vielen Dank, dass ich meine Präsentation hier vorstellen durfte.

Carlo Rubbia (2012)

Neutrinos: a Golden Field for Astroparticle Physics

Carlo Rubbia (2012)

Neutrinos: a Golden Field for Astroparticle Physics

Abstract

Neutrinos: a golden field for astroparticle physics.

Carlo Rubbia
CERN, Geneva, Switzerland
Institute for Advanced Sustainability Studies Potsdam, Germany

Abstract

Neutrinos have been the origin of an impressive number of “surprises”. We know that neutrinos have tiny masses and that oscillations are occurring spontaneously between neutrino species. But additional new discoveries may be ahead of us and they will be discussed in my presentation.
Two distinct classes of anomalies have been recently experimentally reported, namely (1) an apparent ≈ 6 % disappearance signal in the antineutrino events detected from near-by nuclear reactors and from the Mega-Curie k-capture calibration sources and (2) observation of an excess signal of unexplained electrons from neutrinos from particle accelerators.
Confirming evidence is required. Given that solar neutrino oscillations correspond to ∆m2 ≃ 7×10−5 eV2 and atmospheric neutrino oscillations correspond to ∆m2 ≃ 2.3×10−3 eV2, these anomalies require additional physics. However, the results from the Large Electron Positron collider (LEP) at CERN on the invisible decay width of the Z boson show that there are only three neutrinos with a mass below one half of the mass of the Z boson, which couple to the Z boson and therefore the fourth neutrino, if it indeed exists, cannot couple to the Z boson and hence is a “sterile” neutrino, i.e. a Standard Model gauge singlet. Cosmological data, mainly from observations of the cosmic microwave background and large-scale structure favour the existence of a fourth light degree-of-freedom which could be a “sterile” neutrino.
These experiments may all point out to the possible existence of at least one fourth non standard “sterile” neutrino, driving oscillations at small distances, with mass differences of the order of 1 eV2 and relatively large mixing angles. If confirmed, it would imply at least an additional mass-squared difference largely in excess of the Standard Model’s values. Such heavier neutrinos, if discovered, may also contribute to the recent, sofar unexplained cosmological observation of the dark mass excess of non-hadronic origin.
Ongoing experimental programmes will be described, which should allow a definitive clarification of the above described “anomalies”.

Recommended reading.
“Light Sterile Neutrino: a White Paper” arXiv:1204.5379v1 [hep-ph]
C. Rubbia et al. - JINST 6 P07011 (2011)
M. Antonello et al. -Physics Letters B, 713, 17-22 (2012)

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