Sonne und Neutrinos - Universität Bielefeld

Sonne und Neutrinos 

Physikalisches Proseminar SS2009 

Alessia Niesen 

Universität Bielefeld, den 25.05.2009 

Sonne und Neutrinos Alessia Niesen

Motivation: 

Wie entsteht Energie in der Sonne? 

- Das solare Neutrinorätsel 


Inhalt 

● Historischer Einstieg 

● Die Sonne 

- Grunddaten 

- Aufbau 

- Sonnenenergie 

● Neutrino 

- Daten und Entstehung 

- Nachweis von Neutrinos 

- Anwendungsmöglichkeiten 

● Fazit 


Historischer Einstieg 

[http://upload.wikimedia.org/ 

wikipedia/commons/3/3c/ 

Charles_Darwin_01.jpg] 

Charles Darwin 

(1809 -1882): 

Begründer der 

Evolutionstheorie 

Auf Grund seiner 

evolutionstheoretischen 

geologischen und biologischen 

Beobachtungen, 

schätzte er das Alter 

der Erde auf 

Über 300 Millionen Jahre 



[http://upload.wikimedia.org/ 

wikipedia/commons/3/3c/ 

Charles_Darwin_01.jpg] 

Charles Darwin 

(1809 -1882): 

Begründer der 

Evolutionstheorie 

Auf Grund seiner 

evolutionstheoretischen 

geologischen und biologischen 

Beobachtungen, 

schätzte er das Alter 

der Erde auf 

Über 300 Millionen Jahre 

Sonne und Neutrinos Alessia Niesen 

[http://jerome23.files. 

wordpress.com/2009-02/ 

lord_kelvin_photograph.jpg] 

Lord Kelvin 

(1824 – 1907): 

Irrischer Physiker, 

Miterfinder des 2. Satzes 

der Thermodynamik 

Auf Grund seiner Kenntnisse 

über mögliche Energiequellen 

und wirkende Kräfte, 

errechnete er das Alter der Erde 

auf 

ca. 30 Millionen Jahre


● Darwin war jedoch sehr von Kelvins 

Argumentation und seiner Stellung als brillianter 

Physiker überzeugt 






Darwin nimmt die Altersfrage aus allen 

Ausgaben von „Origin of the Species“ 

heraus 






Darwin nimmt die Altersfrage aus allen 

Ausgaben von „Origin of the Species“ 

heraus 

● Wir wissen nun, dass Darwin recht hatte 

die Sonne und die Erde sind über 4,6 

Milliarden Jahre alt 


Die Sonne 

[http://www.astronomiepark.de/01_deutsch/09_planeten/images/Sonne_02_a.jpg] 


Die Sonne: die Grunddaten 

● Sonne = Stern mittleren Alters 




mind. 4,6 Milliarden Jahre alt 





● Sonnenradius: ca. 700000km 






● Gewicht: 1,98⋅10 30 kg 






● Gewicht: 

1,98⋅10 30 kg 

● Hauptbestandteile: 

- Wasserstoff: ca. 72% der Gesamtmasse 

- Helium: ca. 26% der Gesamtmasse 

- Restliche 2%: Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff 






● Gewicht: 

1,98⋅10 30 kg 

● Hauptbestandteile: 

- Wasserstoff: ca. 72% der Gesamtmasse 

– - Helium: ca. 26% der Gesamtmasse 

– - Restliche 2%: Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff 

● Bezieht ihre Energie aus Kernreaktionen 


Die Sonne 

[http://www.baader-planetarium.de/zubehoer/zubsonne/sonne/basis/basis.htm] 


Die Sonne von 

innen 

nach 

aussen: 

Kernbereich 

Strahlungszone 

Konvektionszone 

Photosphäre 

Chromosphäre 

Korona

Die Sonne: Aufbau der Sonne 

● Sichtbare Oberfläche 



● Sichtbare Oberfläche Photosphäre: 




- eine 400 km dicke Gasschicht 

- emittiert praktisch das gesamte Licht der Sonne 






● In den unterhalb der Photosphäre liegenden 

Schichten steigen Temperatur und Dichte 

schnell an 






● In den unterhalb der Photosphäre liegenden 

Schichten steigen Temperatur und Dichte 

schnell an 

● Im heissen und dichten Kern der Sonne (ca. 

175000km), wird die Energie der Sonne 

produziert 



● Temperatur des Kerns : ca. 15 Millionen Kelvin 




Material außerhalb hat niedrigere Temperaturen 





Nuklearreaktionen 





Nuklearreaktionen 

Energie wird freigesetzt 

hauptsächlich in Form von Gamma- und 

Röntgenstrahlen 



● Wiederholte Emission und Absorption der 

freigewordenen Photonen auf ihrem Weg nach 

außen ihre Energie nimmt ab 



● Wiederholte Emission und Absorption der 

freigewordenen Photonen auf ihrem Weg nach 

außen ihre Energie nimmt ab 

● Richtung und Energie der Photonen ändert sich 

bei jedem Schritt (random walk) 

kann 10 Jahre dauern bis ein Energiepaket an 

die Sonnenoberfläche kommt 

7 



● Strahlungszone: Fortsetzung der Absorptions-, 

Streuungs- und Reemissionsprozesse 

Gamma und Röntgenstrahlung wird in extreme 

UV- Strahlung umgewandelt 

sichtbares Licht tritt aus der Photosphäre 

● Über der Photosphäre liegt die Chromosphäre 

● Nach dünner Übergangszone (transition region) 

befindet sich die Korona 

– Einige Sonnenradien dick, mit niedriger Dichte 

– Sehr hohe Temperatur 1-5 Millionen Kelvin 


Die Sonne: Sonnenenergie 

● Gewinnt, wie alle Sterne, ihre Energie durch 

Kernfusion 

● 99% der Energie werden im Kern (ca. 0,25 

Sonnenradien groß) erzeugt 


Die Sonne: Sonnenenergie 

● Gewinnt, wie alle Sterne, ihre Energie durch 

Kernfusion 

● 99% der Energie werden im Kern (ca. 0,25 

Sonnenradien groß) erzeugt 

es kommt zu Nuklearreaktionen, die riesige 

Energiemengen produzieren: Wasserstoffbrennen 

- die Bilanzgleichung lautet: 

● Dabei kann der Prozess der Fusion auf zwei Arten ablaufen: 

- CNO – Zyklus; 

4 

4p He2e+2e26,73 

MeV 

- Proton Proton - Reaktion (PP-Reaktion) 


Neutrino: Daten 

● Wurde 1930 von Wolfgang Pauli postuliert um die Energie- 

bzw. Drehimpulserhaltung beim -Zerfall zu gewährleisten 

 



● Wurde 1930 von Wolfgang Pauli postuliert um die Energiebzw. 

Drehimpulserhaltung beim -Zerfall zu gewährleisten 

● Gehört zu der Leptonenfamilie (Elementarteilchen mit 

schwacher Wechselwirkung) 

● Einzige „Boten“ der Fusionszyklen in der Sonne 



● Wurde 1930 von Wolfgang Pauli postuliert um die Energiebzw. 

Drehimpulserhaltung beim -Zerfall zu gewährleisten 




● Sehr flüchtige Teilchen 

● Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt (ca. ) 


 

10 −40 cm 2


● Wurde 1930 von Wolfgang Pauli postuliert um die Energie- 

bzw. Drehimpulserhaltung beim ß-Zerfall zu gewährleisten 




● Sehr flüchtige Teilchen 

● Sehr kleiner Wirkungsquerschnitt (ca. ) 

kaum Wechselwirkung mit anderen Teilchen 

kaum nachweisbar, da sie nur der schwachen 

Wechselwirkung unterliegen 


10 −40 cm 2


● Elektrische Ladung: 0 

● Spin ½ 

● Mittlerweile experimentelle nachgewiesen: besitzen 

unterschiedliche Ruhemasse m>0 

● Bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit 

● zusammen mit Photonen = Großteil der relativistischen Materie 

im Universum 

● Drei Arten: Elektron-, Myon-, Tau-Neutrinos 

● mehr als 10 Neutrinos gehen durch die Erdoberfläche 

10 /cm 2 / s 


Neutrino: Entstehung 

pp- Neutrinos stammen aus der Reaktion: 

p p H 

2 ee Sonne und Neutrinos Alessia Niesen


● Die Proton-Proton-Kette ist die Reaktion, die hauptsächlich 

für die Energieerzeugung im Kern verantwortlich ist 



● Die Proton-Proton-Kette ist die Reaktion, die 

hauptsächlich für die Energieerzeugung im Kern 

verantwortlich ist 

- 

4 

4p He2e+2e26,73 

MeV 

stabiler Kern 



● Die Proton-Proton-Kette ist die Reaktion, die hauptsächlich 

für die Energieerzeugung im Kern verantwortlich ist 

- 

4 

4p He2e+2e26,73 

MeV 

stabiler Kern 

- Endprodukt hat eine um 0,7% geringere Masse als die 4 

Wasserstoffkerne 

aus diesem Massendefekt entsteht Energie, da laut 

Einstein: E=mc 2 



Proton-Proton-Kette : einfachster Fall 3 Stufen Reaktion 




(1): p p H 

2 e E0,42 MeV 




(1): 

(2): 

p p p H 

2 e 

2 e 

2 3 

H p He5,49 

MeV 


E 0,42 MeV



(1): 

(2): 

(3): Die Reaktionskette teilt sich: 

- zu 86%: 

oder: 

p p H 

2 e 

2 3 

H p He5,49 

MeV 

3 3 4 

He 

He He2p12,86 

MeV 

3 4 

He 

p Heee18,77 

MeV 


E 0,42 MeV



(1): 

(2): 

(3): Die Reaktionskette teilt sich: 

- zu 86%: 

oder: 

● Alternative Reaktion: 


p p H 

2 e E0,42 MeV 

2 3 

H p He5,49 

MeV 

3 3 4 

He 

He He2p12,86 

MeV 

3 4 

He 

p Heee18,77 

MeV 

3 4 7 

He 

He Be1,59 

MeV


● Sonne emittiert hauptsächlich Neutrinos niedrigerer Energien 

● Produktionsrate hängt stark von der Kerntemperatur ab 

● Zu 1,6% wird die Energie in der Sonne vom CNO-Zyklus 

produziert 


Neutrino: Nachweis 

● 2. Arten solarer Neutrinoexperimente: 

1: radiochemische Experimente 

2: Echtzeit – Experimente 

● zu 1: Prinzip beruht auf Reaktionen der Art: 

A A 

Z e Z −1e 

man definiert neue Einheit, um die Ereignissraten 

besser ausdrücken zu können: 

● Bei diesen Experimenten verliert man jede Info über Einfallzeit, 

Richtung und Energie der Neutrinos 


N 

N −1 

1SNU =10 −36 Einfänge / Atom/ s


● zu 2: Hauptnachweismethode ist die Neutrino- Elektron- 

Streuung 

dabei entsteht Cerenkov- Licht, das eng mit der Richtung 

des einfallenden Neutrinos korreliert ist 



[http://www.physik.unibielefeld.de/~shoshi/prosem_09/v11. 

pdf] 


● Homestake-Mine (Minnesota, 

1968) von Ray Davis



pdf] 



1960) von Ray Davis 

erster zweifelsfreier 

Nachweis solarer Neutrinos



pdf] 





Nachweis solarer Neutrinos 

● Nachweis erfolgte durch die 

Reaktion: 

37 37 

Cl 

Are



pdf] 







Reaktion: 

37 37 

Cl 

Are 

● Experiment ist jedoch lediglich 

auf die Beryllium- und Bor- 

Neutrinos empfindlich 

nicht auf die pp-Neutrinos



pdf] 







Reaktion: 

37 37 

Cl 

Are 

● Experiment ist jedoch lediglich 

auf die Beryllium- und Bor- 

Neutrinos empfindlich 

nicht auf die pp-Neutrinos 

● Nobelpreis 2002 für Ray Davis



pdf] 


● GALLEX-Experiment im Gran- 

Sasso-Tunnel (Italien), seit 

1980



pdf] 




1980 

erster Nachweis von pp- 

Neutrinos,da Nachweis- 

schwelle unterhalb der 

Maximalenergie der pp- 

Neutrinos liegt



pdf] 




1980 





Neutrinos liegt 

● Riesiger Tank mit GaCl3



pdf] 




1980 





Neutrinos liegt 

● Riesiger Tank mit GaCl3 

● Nachweis über die Reaktion: 

71 71 

Ga 

Gee


● Ähnliches Experiment mit Gallium im Kaukasus 

SAGE 




SAGE 

Übereinstimmung mit den Ergebnissen des 

GALLEX-Experiments 




SAGE 

Übereinstimmung mit den Ergebnissen des 

GALLEX-Experiments 

● Bei allem drei Experimenten wurden jedoch viel 

weniger Neutrinos nachgewiesen, als von der 

Theorie vorhergesagt worden waren 

DAS SOLARE NEUTRINORÄTSEL 



3 mögliche Gründe: 

(1): Messungen sind falsch 

(2): Modell der Fusion in der Sonne falsch 






(3): Hypothese: 

wenn Neutrinos eine Ruhemasse besitzen 

ein Sonnenneutrino ändert auf seinem Weg 

seine Familienzugehörigkeit (flavour) 






(3): Hypothese: 

wenn Neutrinos eine Ruhemasse besitzen 

ein Sonnenneutrino ändert auf seinem Weg 

seine Familienzugehörigkeit (flavour) 

● Tatsächlich konnte diese Theorie der „Neutrino- 

Oszillationen“ 1999-2003 in Kamiokande (Japan) 

und Sadbury (SNO) (Kanada) nachgewiesen 

werden 



● Kamiokande- Detektor: Echtzeit- Experiment 

- 3000t Wasser umgeben von 948 Photomultipliern 

- man weist hoch energetische Elektronen über Cerenkov- Licht 

nach 

- anhand des Rückstoßspektrums kann man zwischen den 

Elektron- Neutrinos und anderen Neutrinoarten unterscheiden 

● Sadbury- Neutrino- Observatorium (SNO): 

- 1000t schweres Wasser 

D 2 O 

- einerseits: Detektion der Neutrino- Elektron- Streuung 

- andererseits: Detektion von Reaktionen, die nur ein Elektron- 

Neutrino auslösen kann 



● Am SNO werden 3 Reaktionstypen gemessen: 

- Charged- Current: 

- Neutral- Current: 


[http://www.physics.ox.ac.uk/ 

Neutrino/SNO/physics.html] 

[http://www.physics.ox.ac.uk/Neutrino/SNO/ 

physics.html]


- Elastic Scattering: 

- April 2002: Veröffentlichung der Ergebnisse und ein Nachweis 

der Oszillationenhypothese 


[http://www.physics.ox.ac.uk/Neutrino/SNO/ 

physics.html]

Neutrino: Anwendungsmöglichkeiten 

● Auf Grund ihrer geringen Wechselwirkung (unterliegen nur der 

schwachen Wechselwirkung und der Gravitation) deutet eine 

Neutrinomessung direkt auf den Ursprungsort 






Neutrinoteleskope: man sucht sich geeignete Medien (Wasser, 

Eis, organische Flüssigkeiten) in denen schwache Lichtblitze 

durch die eintretenden Neutrinos ausgelöst werden 






Neutrinoteleskope: man sucht sich geeignete Medien (Wasser, 

Eis, organische Flüssigkeiten) in denen schwache Lichtblitze 

durch die eintretenden Neutrinos ausgelöst werden 

das bisher größte (AMANDA) befindet sich am Südpol (unter 

einer 3km dicken Eisschicht) 


Fazit: 

● Sonne produziert eine Unmenge an Energie 

● Leider werden ihre Ressourcen in ca. 4,5-5 

Milliarden Jahren aufgebraucht sein 

● Die Lösung des Neutrinorätsels ist gefunden 

worden 

● Wir haben Teilchen „gewonnen“, die uns direkt 

Informationen aus den entlegensten Regionen 

des Universums liefern 


Literaturverzeichnis: 

● Die Sonne; Lain Nicolson; Verlag Herder; 1982 

● Einf. in die moderne Kosmologie; A. Liddle; Wiley-VCH Verlag 

Weinheim; 2009 

● Teilchenastrophysik; H.V. Klapdor- Kleingrothaus, K. Zuber; 

Teubner Stuttgart; 1997

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