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Michejew Smirnow Wolfenstein Effekt Der kurz MSW Effekt ist ein teilchenphysikalischer Prozess der Neutrinooszillationen

Michejew-Smirnow-Wolfenstein-Effekt

Der Michejew-Smirnow-Wolfenstein-Effekt (kurz MSW-Effekt) ist ein teilchenphysikalischer Prozess, der Neutrinooszillationen in Materie beeinflusst. Die Arbeit des US-amerikanischen Physikers Lincoln Wolfenstein aus dem Jahre 1978 sowie die Arbeit der sowjetischen Physiker Stanislaw Michejew und Alexei Smirnow von 1986 ermöglichten das Verständnis des Effekts.

Erklärung Bearbeiten

Neutrinos können sowohl als Superposition (“gemischter Zustand”) dreier Ausbreitungs-Eigenzustände (Massen-Eigenzustände) dargestellt werden, als auch als Superposition der Flavour-Eigenzustände Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino. Die Gegenwart von Elektronen in Materie verändert die Energieniveaus und Flavour-Zusammensetzung der Massen-Eigenzustände aufgrund kohärenter Vorwärtsstreuung der Elektron-Komponente durch geladene Ströme der schwachen Wechselwirkung. Das beeinflusst Frequenz, Amplitude und Kohärenzlänge der Neutrinooszillation. Die kohärente Vorwärtsstreuung ist vergleichbar mit dem elektromagnetischen Prozess, welcher zu unterschiedlichen Brechungsindizes von Licht im Medium führt.

Im Vakuum und bei geringen Elektronendichten entstehen Neutrinos immer mit wesentlichen Anteilen aller drei Massen-Eigenzustände, deren relative Phasen sich bei der Ausbreitung ändern können, insbesondere in Materie, was als Neutrinooszillation deutlich wird.

Im Kern der Sonne werden Elektron-Neutrinos bei sehr hoher Elektronendichte erzeugt. Für diese solaren Neutrinos hoher Energie, welche in Neutrino-Observatorien wie dem Sudbury Neutrino Observatory (SNO) oder Super-Kamiokande beobachtet werden, liegt der Massen-Eigenzustand (Index m für „Materie“) viel höher als und , ist praktisch identisch mit dem Elektron-Flavour-Eigenzustand und wird deshalb fast rein erzeugt (sehr geringe Anteile und ). Beim Entweichen aus der Sonne geht der Zustand kontinuierlich über in den Vakuum-Zustand , dessen Elektron-Flavour-Anteil von nur noch 0,31 das beobachtete Neutrinodefizit erklärt.

Bei einer bestimmten Elektronendichte kreuzen sich und (MSW-Resonanz). Dabei würde eine Umwandlung auftreten, wenn der Verlauf der Elektronendichte steil genug wäre. In der Sonne greift aber der Adiabatensatz.

Experimentelle Hinweise Bearbeiten

Der Michejew-Smirnow-Wolfenstein-Effekt ist für solare Neutrinos hoher Energie von Bedeutung und führt zu der Vorhersage, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron-Neutrino nach der Ausbreitung seinen Flavourzustand nicht geändert hat, beträgt, wobei den solaren Mischungswinkel bezeichnet. Dies wurde durch das Sudbury-Neutrino-Observatorium (SNO) experimentell bestätigt: die Wissenschaftler des SNO bestimmten den Fluss an solaren Elektron-Neutrinos zu ungefähr 34 % des gesamten Neutrino-Flusses. Dabei wurde der Fluss der Elektron-Neutrinos über Wechselwirkungen durch geladene Ströme bestimmt, und der Gesamtfluss über Wechselwirkungen durch neutrale Ströme.

Für solare Neutrinos niedriger Energie ist die Auswirkung der Materie vernachlässigbar und die Näherung der Vakuumoszillationen damit gültig. Die Größe der Quelle (der Kern der Sonne) ist bedeutend größer als die Oszillationslänge. Durch eine Mittelung über den oszillierenden Faktor (siehe Theoretische Grundlagen der Neutrinooszillation) erhält man deshalb . Für den gleichen Wert des Mischungswinkels entspricht dies einer Wahrscheinlichkeit von rund 60 %, dass ein Elektron-Neutrino seinen Flavourzustand nicht ändert. Dies deckt sich mit Messungen solarer Neutrinos im niederen Energiebereich im Homestake-Experiment (das erste Experiment, welches das solare Neutrinodefizit aufdeckte), GALLEX, GNO und SAGE (radiochemische Experimente, die Gallium als Streukörper verwendeten) und im Borexino-Experiment. Die Ergebnisse werden des Weiteren durch das Reaktorexperiment KamLAND unterstützt.

Der Übergang zwischen dem Bereich niedriger Energie mit vernachlässigbarem Michejew-Smirnow-Wolfenstein-Effekt und dem Bereich hoher Energie, in dem die Oszillationswahrscheinlichkeit durch die Materie bestimmt wird, liegt für Neutrinos aus der Sonne ungefähr bei 2 MeV.

Der Michejew-Smirnow-Wolfenstein-Effekt kann ebenso Neutrinooszillationen im Erdinneren beeinflussen; zukünftige Suchen nach neuen Oszillationseffekten oder leptonischer CP-Verletzung könnten diesen Sachverhalt ausnutzen.

Literatur Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. L. Wolfenstein: Neutrino oscillations in matter. In: Physical Review D. 17. Jahrgang, Nr. 9, 1978, S. 2369, doi:10.1103/PhysRevD.17.2369, bibcode:1978PhRvD..17.2369W.
  2. S. Michejew, A. Smirnow: Resonant amplification of ν oscillations in matter and solar-neutrino spectroscopy. In: Il Nuovo Cimento C. 9. Jahrgang, Nr. 1, 1986, S. 17–26, doi:10.1007/BF02508049.
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Der Michejew Smirnow Wolfenstein Effekt kurz MSW Effekt ist ein teilchenphysikalischer Prozess der Neutrinooszillationen in Materie beeinflusst Die Arbeit des US amerikanischen Physikers Lincoln Wolfenstein aus dem Jahre 1978 1 sowie die Arbeit der sowjetischen Physiker Stanislaw Michejew und Alexei Smirnow von 1986 2 ermoglichten das Verstandnis des Effekts Inhaltsverzeichnis 1 Erklarung 2 Experimentelle Hinweise 3 Literatur 4 EinzelnachweiseErklarung BearbeitenNeutrinos konnen sowohl als Superposition gemischter Zustand dreier Ausbreitungs Eigenzustande Massen Eigenzustande dargestellt werden als auch als Superposition der Flavour Eigenzustande Elektron Neutrino Myon Neutrino und Tau Neutrino Die Gegenwart von Elektronen in Materie verandert die Energieniveaus und Flavour Zusammensetzung der Massen Eigenzustande aufgrund koharenter Vorwartsstreuung der Elektron Komponente durch geladene Strome der schwachen Wechselwirkung Das beeinflusst Frequenz Amplitude und Koharenzlange der Neutrinooszillation Die koharente Vorwartsstreuung ist vergleichbar mit dem elektromagnetischen Prozess welcher zu unterschiedlichen Brechungsindizes von Licht im Medium fuhrt Im Vakuum und bei geringen Elektronendichten entstehen Neutrinos immer mit wesentlichen Anteilen aller drei Massen Eigenzustande deren relative Phasen sich bei der Ausbreitung andern konnen insbesondere in Materie was als Neutrinooszillation deutlich wird Im Kern der Sonne werden Elektron Neutrinos bei sehr hoher Elektronendichte erzeugt Fur diese solaren Neutrinos hoher Energie welche in Neutrino Observatorien wie dem Sudbury Neutrino Observatory SNO oder Super Kamiokande beobachtet werden liegt der Massen Eigenzustand n 2 m displaystyle nu mathrm 2m nbsp Index m fur Materie viel hoher als n 1 m displaystyle nu mathrm 1m nbsp und n 3 m displaystyle nu mathrm 3m nbsp ist praktisch identisch mit dem Elektron Flavour Eigenzustand und wird deshalb fast rein erzeugt sehr geringe Anteile n 1 m displaystyle nu mathrm 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Matter the MSW Effect In A New Limit on nm nt Oscillations PDF 3 1 MB Universite catholique de Louvain 28 Juli 1998 S 40 abgerufen am 24 April 2010 Alexei Jurjewitsch Smirnow Solar neutrinos Oscillations or No oscillations September 2016 arxiv 1609 02386 B Schwarzschild Antineutrinos From Distant Reactors Simulate the Disappearance of Solar Neutrinos In Physics Today 56 Jahrgang 2003 S 14 doi 10 1063 1 1570758 bibcode 2003PhT 56c 14S stanford edu Einzelnachweise Bearbeiten L Wolfenstein Neutrino oscillations in matter In Physical Review D 17 Jahrgang Nr 9 1978 S 2369 doi 10 1103 PhysRevD 17 2369 bibcode 1978PhRvD 17 2369W S Michejew A Smirnow Resonant amplification of n oscillations in matter and solar neutrino spectroscopy In Il Nuovo Cimento C 9 Jahrgang Nr 1 1986 S 17 26 doi 10 1007 BF02508049 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Michejew Smirnow Wolfenstein Effekt amp oldid 212469812