Supernovae - Server der Fachgruppe Physik der RWTH Aachen

Neutrinoquellen im Kosmos: 

Neutrino-Seminar WS 

03/04 

Supernovae 

Martina Davids 

Betreuer: Prof. M. Tonutti 

Neutrino-Seminar, RWTH Aachen, WS 03/04 

M. Davids


03/04 

Gliederung 

• Supernovae - Typen und Ablauf 

• Cherenkovdetektoren: 

• Funktionsweise 

• Beispiele: IMB, Kamiokande, 

Superkamiokande 

• Erkenntnisse aus SN 1987A: 

• Supernovaphysik 

•Neutrinophysik 

M. Davids

Neutrinoastronomie - Warum? 

Anforderungen an „gute“ Astronomie: 

• keine Beeinflussung durch Magnetfelder 


03/04 

keine geladenen Teilchen 

• Teilchen und Antiteilchen unterscheidbar 

γ-Strahlung nicht geeignet 

• Lange Lebensdauer, durchdringend, keine 

Absorption 

Von Neutrinos erfüllt ! 

M. Davids


03/04 

Neutrinoquellen 

• Natürliche Quellen: 

•Urknall 

•Sonne und Sterne 

• Erdatmosphäre 

•Supernovae 

• β-Zerfall 

• Künstliche Quellen: 

• Beschleuniger 

• Kernreaktoren 

M. Davids


03/04 


M. Davids


03/04 

Typ I-Supernova 

I Supernova 

M. Davids 

• Masse < 8 M • Endet unsichtbar 

oder in Explosion 

(Doppelsternsystem) 

• Photonenluminosität 

größer als 

Neutrinoluminosität 

Nicht interessant für 

Neutrinophysik!

Typ II: Core-Kollaps 

Core Kollaps-SN SN 


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• M > 8 M 

• Kennzeichen: 

– Gravitationskollaps 

– Neutrinoausbruch 

– Stoßwelle 

• Meiste Energie in 

Neutrinos 

Interessant für 

Neutrinophysik !!

Historische Supernovae 

• 1054: in China beobachtet (Krebsnebel) 

• 1572: Brahe 

• 1604: Kepler 

•weitere 

extragalaktische 



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M. Davids

Ablauf einer Supernova: 


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Überblick 

M. Davids


03/04 

SN-Ablauf: SN Ablauf: Phase I 

Fusionen Überrest Dauer 

H-Brennen He ~106 J 

He C, O ~104 J 

C Ne, O ~600 J 

Ne O, Mg ~1 J 

O Si, S ~1/2 J 

Si Fe, Ni ~1 Tag 

(Kollaps ~100 ms) 

M. Davids 

Phase II


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SN-Ablauf: SN Ablauf: Phase II 

• Eisen-Core wächst: 

•Radius: 1.000 km 

•Masse: M Ch ≈ 1,4 M 

Gravitation zu groß 

e - + p n + ν e 

K o l l a p s ! ! 

• Neutronisation/Deleptonisation: 

M. Davids 

(10% der Neutrinos)


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SN-Ablauf: SN Ablauf: Phase III 

• Core-Dichte erhöht 

innere Core-Materie prallt zurück auf 

äußere 

Stoßwelle entsteht 

Hülle wird abgesprengt: 

eigentliche Supernova-Explosion 

Aber: Stillstand der Stoßwelle möglich 

dann: von Neutrinos wieder in Gang gesetzt 

M. Davids


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SN-Ablauf: SN Ablauf: Phase IV 

Neutrinoausbruch: 

thermische Paarerzeugung: 

e + + e - ν + ν 

erzeugt 90% der Neutrinos 

• kühlt Core ab 

• alle Arten gleich häufig 

• Energien unterschiedlich 

Im Core: Neutrinos 

diffundieren 

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Freigesetzte Energie: 

Anteile: 

Temperatur: 

Häufigkeit: 


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Einige Zahlen... 

E = (2-3)1046 J 

1% Explosion der Hülle 

99% Neutrinos!! 

(nur 1042 J el.mag. Strahlung) 

Vor Kollaps: T ≈ 5•10 9 K (=0,5 MeV) 

Bei Kollaps: T ≈ 10 11 K (=10 MeV) 

• Etwa alle 40 Jahre in unserer Galaxie 

• Wenige optisch beobachtet 

Durch Neutrinodetektion höhere Rate 

M. Davids


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Detektoren 

M. Davids

Probleme: 


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Neutrino-Detektion 

Neutrino Detektion 

• ungeladen 

• kaum Masse 

• extrem kleiner Wirkungsquerschnitt 

Lösung: 

• Nachweis über inversen β-Zerfall 

(Cherenkov-Effekt) 

• sehr große Detektoren 

M. Davids


03/04 

Cherenkov-Effekt 

Cherenkov Effekt 

Geladenes Teilchen polarisiert Atome im Medium: 

v < c n : kein 

Dipolfeld 

M. Davids 

v > c n : Dipolstrahlung


03/04 

Cherenkov-Effekt 

Cherenkov Effekt II 

•Teilchenidentifikation: 

(in Kombination mit anderen Detektoren) 

Geschwindigkeit: 

β > 1/n 

bei bekanntem E abh. von m 

•Richtungsinformation: 

Cherenkov-Winkel: 

cos(θ C )=1/βn 

M. Davids

Wasser-Cherenkov 

Wasser Cherenkov-Detektor Detektor 

Wirkungsquerschnitt des inversen β-Zerfalls: 

Große Wassertanks mit 

Photomultipliern: 

•viele Protonen 

•Cherenkov-Detektion 

•Nachweis auch über 

νe-Streuung 


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M. Davids


03/04 

Cherenkov-Ringe 

Cherenkov Ringe 

Unterscheidung von Elektronen und Myonen: 

Verwischte Kanten: 

Elektron 

Scharfe Kanten: 

Myon 

+Detektion in äußerer Schicht 

M. Davids

Irvine Michigan Brookhaven 

Maße des Detektors: 


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(IMB) 

• 18x17x23 m 3 

•5.000 t Wasser 

• 600 m tief in Salzmine 

Nachgewiesene Reaktion: 

inv. β-Zerfall (+ νe-Streuung) 

M. Davids 

•Schwellenenergie: 

19 MeV



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Kamiokande (II) 

• 15,6 m Durchmesser, 16 m hoch 

• über 2.000 t Wasser 

• 1.000 m tief in alter Mine 

• 950 PMT (20%) 

•Schwellenenergie: 7,5 MeV 


inv. β-Zerfall (+ νe-Streuung) 

M. Davids


03/04 

Superkamiokande 

M. Davids 


• 40 m Durchmesser, 40 m hoch 

• 50.000 t ultrareines Wasser 

•2.700 m tief in alter Mine 

• 11.200 PMT (40%) 

• Schwellenenergie: 5 MeV 

„ Kamiokande x 2,5 “ 


inv. β-Zerfall (+ νe-Streuung)

Superkamiokande - Bilder 


03/04 

M. Davids

Superkamiokande – Bilder II 


03/04 

M. Davids

Superkamiokande – Bilder III 


03/04 

M. Davids


03/04 

SN 1987A 

M. Davids


03/04 

Supernova 1987A 

M. Davids 

24.2.1987 

Große Magellansche Wolke: 

Supernova optisch entdeckt 

SN 1987A 

• 50 kpc (1,5 • 10 5 Lj) 

• Sanduleak (SK-69°202) 

•Masse: ca. 20 M


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M. Davids


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Aufnahme von 1994: 

zeigt 3 Gasringe 

Vermutung: 

Gas wurde von SN1987A 

zum Leuchten angeregt 

Bis heute ein Rätsel! 

M. Davids

Supernova 1987A: Neutrinos 

IMB: 

8 Ereignisse in 5,6 s 

Energien: 19-40 MeV 


03/04 

M. Davids 

23.2.1987 

Neutrinos aus SN detektiert! 

Kamiokande: 

12 Ereignisse in 12,4 s 

Energien: 7,5-36 MeV



03/04 

M. Davids 

ersten Neutrinos in 

Mont Blanc: 2h53min36s 

Kamiokande: 7h35min41s 

IMB: 7h35min38s 

2 Neutrinopulse 

aus Supernova?? 

Aber: 

Mont Blanc 5h „zu früh“ 

Kein Signal



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Energien der detektierten Neutrinos 

M. Davids


03/04 

Supernovaphysik 

ν e -Flußdichte auf Erde: 

Bestätigung des Typ-II-Supernova-Modells! 

M. Davids 

F = 5•10 9 cm -2 

Gesamtzahl Neutrinos: N = 6•F•4π•L 2 ≈ 8•10 57 

Gesamtenergie: E ≈ N • 〈E ν 〉 ≈ 2•10 46 J 

mit 〈E ν 〉=3,15•kT ≈ 12,5 MeV 

aus T ≈ 4,0 MeV/k 

Auch Neutronenstern-Radius, -Masse und Dauer des 

Neutrinopulses passen gut zur Theorie

Neutrinophysik: Masse 

Bestimmung der Masse aus der Flugzeit: 


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M. Davids 

Bei bekannter Energie 

abh. von Masse 

Betrachte 2 gleichzeitig ausgesendete Neutrinos: 

m ν < 31 eV 

∆t: Zeitunterschied 

E 1 ,E 2 : Energien

Neutrinophysik: Masse II 

Andere Abschätzung: 

Nur ersten 9 Neutrinos aus Kamiokande: 


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m ν < 11 eV 

ABER: Daten auch verträglich mit m ν=0 !! 

µ- und τ-Neutrinos: aus Dauer des Ausbruchs 

m ν < 30 keV 

M. Davids

Neutrinophysik: Lebensdauer 

Grobe Abschätzung: 


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γτ > 1,5•10 5 Jahre 

dabei ist γ = E ν/m ν , mit E ν ≈ 12,5 MeV 

M. Davids

Neutrinophysik: Ladung 

Annahme: Neutrinos geladen 


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Ablenkung im intergalaktischen Magnetfeld 

Bahnlänge und Ankunftszeit abh. von Energie 

Aber: beob. Zeitfenster von 10 s 

(für intergal. Magnetfeld: 10 -9 G) 

M. Davids

Neutrinophysik: Magn. Moment 

Magn. Moment ermöglicht : 


03/04 

Entstehung steriler Neutrinos 

kürzerer Neutrinoausbruch 

energiereiche Neutrinos wieder umgewandelt 

höhere Anzahl energiereicher Neutrinos 

beides nicht beobachtet 

M. Davids

Mischung: 

Anzahl: 


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Neutrinophysik: 

Mischung+Anzahl 

Zu wenige Ereignisse 

Vergleich detektierter Energie mit (nach Theorie) 

freigesetzter Energie: 

verträglich mit N ν = 3 

M. Davids


03/04 

Auch ein Nobelpreis 

2002 an M. Koshiba: 

• Für Detektion des 

Neutrinoschauers aus 

SN1987A 

•Geteilt mit 

Raymond Davis Jr. (je ¼) 

•2. Hälfte an 

Riccardo Giacconi 

(Entdeckung kosm. 

Röntgenquellen) 

M. Davids

Supernovae - Server der Fachgruppe Physik der RWTH Aachen

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