Phänomenologie von Neutrinooszillationen
Final Report Abstract
Die Entdeckung von Neutrinooszillationen ist einer der wichtigen Hinweise, die das Standardmodell der Elementarteilchen auf die Probe stellen: Zum einen sind Neutrinos im Standardmodell masselose Teilchen, zum anderen widersprechen die großen Mischungen der unterschiedlichen Teilchenarten ("Flavors“) den bisherigen Erfahrungen. Das Studium von Neutrinooszillationen ist daher ein wichtiger Bereich um Hinweise auf Physik jenseits des Standardmodells zu erhalten. Die größte Herausforderung zur Untersuchung der Eigenschaften von Neutrinos ist deren extrem schwache Wechselwirkung mit Materie, die oft riesige Detektoren mit sehr guten Abschirmungen der Untergründe erfordert. Neutrino Oszillationsexperimente benutzen dabei natürlich (v. a. in Sonne oder Atmosphäre) oder künstlich (in Beschleunigern oder Reaktoren) erzeugte Neutrinos um deren Eigenschaften zu studieren. Eines der Primärziele dieses Projektes war es, die Strategie zukünftiger, oft sehr teurer Neutrino-Oszillationsexperimente durch deren Simulation zu evaluieren und zu optimieren. Des Weiteren sollte die Phänomenologie von Neutrinooszillationen besser verstanden werden, wie die Interpretation von weiteren Hinweisen auf "neue Physik“ oder der Zusammenhang mit Theorien für Neutrinomassen. Ein Ziel der Neutrino-Oszillationsexperimente wird der Nachweis leptonischer CP-Verletzung sein, die mit der Teilchen-Antiteilchen-Asymmetrie im heutigen Universum in Zusammenhang stehen könnte. Als ein wichtiges Ergebnis konnte demonstriert werden, dass die Reaktorexperimente und Superbeams der nächsten Generation (wie T2K und Double Chooz) wahrscheinlich nicht ausreichen werden um CP-Verletzung messen zu können, man benötigt also die übernächste Generation, wie zum Beispiel eine Neutrinofabrik. Die optimale Konfiguration dieses Experiments lässt sich als Funktion des gefundenenen Werts von θ13 und des gewählten Detektors voraussagen. Als weiteres Beispiel wurden Superbeam-Upgrades untersucht. Durch die gefundenen Ergebnisse konnte die Konfiguration eines Neutrinostrahls für das LBNE-Experiment von Fermilab (Illinois) zur Homestake-Mine (South Dakota) in den USA bestätigt und gegenüber möglichen Alternativen etabliert werden. Neben Standard-Oszillationseffekten wurden auch Ideen für den Test neuer Physik, wie sterile Neutrinos, weiterentwickelt. Zusätzlich zu experimentnahen Simulationen wurden analytische und numerische Berechnungen zu Neutrinooszillationen durchgeführt und der Zusammenhang mit fundamentalen Theorien für die Neutrinomassen und -mischungen untersucht. Zum Beispiel wurde diskutiert ob neue Physik nur in Neutrinooszillationen sichtbar sein könnte, nicht aber am LHC oder in geladener Lepton-Flavor-Verletzung. Dazu wurde ein systematischer Ansatz zur Zerlegung der effektiven Operatoren gewählt, die zur modellunabhängigen Beschreibung solcher Physik im Niederenergie-Limit verwendet werden können. Es wurde gezeigt, dass spezielle Theorien mit mehreren neuen Feldern tatsächlich nur Effekte in Neutrinooszillationen produzieren könnten. Da die entsprechenden Diagramme mit mehreren Auslöschbedingungen kombiniert werden müssen, kann ein derartiges Modell keinesfalls trivial sein, wie vorher angenommen wurde. Schließlich wurde das Themenspektrum um die Neutrinoproduktion in kosmischen Beschleunigern erweitert, da astrophysikalische a u Neutrinos komplementär zu den terrestrischen Quellen aufgrund der zurückgelegten Entfernung und hohen Energien gut geeignet sind um bestimmte Eigenschaften der Neutrinos zu testen – wie deren Lebensdauer.
Publications
- New features in the simulation of neutrino oscillation experiments with GLo-BES 3.0. Comput. Phys. Commun. 177 (2007), 132
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- The Seesaw Mechanism in Quark-Lepton Complementarity. Phys. Rev. D76 (2007), 113003
F. Plentinger, G. Seidl, and W. Winter
- Neutrino factory optimization for non-standard interactions. Phys. Rev. D78 (2008), 053007
J. Kopp, T. Ota, and W. Winter
- First hint for CP violation in neutrino oscillations from upcoming superbeam and reactor experiments. JHEP 11 (2009), 044
P. Huber, M. Lindner, T. Schwetz, and W. Winter
- Large gauge invariant nonstandard neutrino interactions. Phys. Rev. D79 (2009), 013007
M. B. Gavela, D. Hernandez, T. Ota, and W. Winter
- Neutrino masses from higher than d=5 effective operators. JHEP 10 (2009), 076
F. Bonnet, D. Hernandez, T. Ota, and W. Winter
- Physics with near detectors at a neutrino factory. Phys. Rev. D80 (2009), 053001
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- Energy dependent neutrino flavor ratios from cosmic accelerators on the Hillas plot. Astropart. Phys. 34 (2010), 205
S. Hümmer, M. Maltoni, W. Winter, and C. Yaguna
- Sterile neutrinos beyond LSND at the Neutrino Factory. Phys. Rev. D82 (2010), 093008
D. Meloni, J. Tang, and W. Winter
- Systematics in the Interpretation of Aggregated Neutrino Flux Limits and Flavor Ratios from Gamma-Ray Bursts. Astropart. Phys. 35 (2012) 508-529
P. Baerwald, S. Hümmer, and W. Winter
(See online at https://doi.org/10.1016/j.astropartphys.2011.11.005)
