Auf der Suche nach der Neutrinomassenskala: Vom Mainzer Experiment zu KATRIN Physikalisches Kolloquium, Bergische Universität Wuppertal, 24.06.2002 Christian Weinheimer Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik, Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität , 53115 Bonn Email: [email protected]Einführung Das Mainzer Neutrinomassenexperiment Wie geht es weiter? KATRIN: ein zukünftiges großes Trituim-β-Zerfallsexperiment mit sub-eV Empfindlichkeit auf die Neutrinomasse Zusammenfassung
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Auf der Suche nach der Neutrinomassenskala: Vom Mainzer ... fileMeilensteine der Neutrinoexperimente 1930 Pauli Neutrino postuliert 1956 Cowan & Reines Exp. Nachweis des Elektronantineutrinos
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Auf der Suche nach derNeutrinomassenskala:
Vom Mainzer Experiment zu KATRIN
Physikalisches Kolloquium, Bergische Universität Wuppertal, 24.06.2002
Christian Weinheimer
Helmholtz−Institut für Strahlen− und Kernphysik, Rheinische Friedrich−Wilhelms−Universität , 53115 Bonn
Troitsk (V.M. Lobashev et al., Phys. Lett. B460 (1999) 227):− Anomalie existiert in praktisch allen Daten ab 1994− Amplitude ≈10−10 aller Tritium−β−Zerfälle, nicht konstant− Position: oszilliert zwischen 5 und 15eV unterhalb Endpunkt
mit 0.5y Periode
Massen− und Mischungen
Solare und atmosphärische ν−Experimente:
Beispiel Large Mixing Angle (LMA)−Lösung für solare Neutrinos:
⇒ teilweise Auslöschung möglich (nicht voll wegen SNO: ϑsolar ≠ 45o)
Zukünftige Experimente sehr sensitiv: mee(ν) < 0.1 eV
⇒ m(νe) vs mee(ν): komplementäre Information, Differenzen aufgrund: Dirac−Neutrino CP−Phasen Andere Prozesse (rechtshändige Ströme, SUSY−Teilchen, ...) Probleme mit nuklearem Matrixelement
Evidenz für 0νββ ?
Single−Side−Eventserwartete Position ⇒ T
1/20ν = (0.8−18.3) 1025 y
⇒ mee
= (0.11 − 0.56) eV
⇒ m(νe) = (0.05 − 3.4) eV
⇒ (fast) degenerierte ν
(jeweils 95 % C.L.)
Praktisch gleichen Daten wie früher,aber jetzt Annahme der Existenz von Peaks in [2000,2080] keV:
⇒ Untergrundniveau wird niedriger
fitte nur [2032,2046] keV mit Untergrund und Peak⇒ Peak in an der erwarteten 0νββ−Position (2039 keV)
Klapdor−Kleingrothaus et al., Evidence for neutrinoless double beta decay,MPLA 37 (2001) 2409 (Heidelberg/Moskau−Daten: 8/1990 − 5/2000)
Relevanter Bereich unterhalb Endpunkt wird kleinernoch weniger Zählrate N ∼ Aanalysier ⇒ Spektrometer größer
∅ 7m⋅
(hep−ex/0109033)
Molekulare Tritiumquellen
Vor− und Hauptspektrometer
Hauptspektrometer Energieanalyse mit
∆Ε = 1eV hohe Luminosität:
L = ASeff ∆Ω/4π = Aanalysier ∆E/(2E) = 10 cm2
Höchste Anforderungen an das Vakuum (Untergrund) p < 10−11 mbar
einfacher Aufbau: Vakuumtank = Elektrode
Vorspektrometer: Transmission nur der höchstenergetischsten Elektronen
(10−7 Anteil in den letzten 100 eV)⇒ Reduktion der Streuwahrscheinlichkeit im Hauptspektrometer⇒ Reduktion des Untergrundes
nur moderate Energieauflösung nötig:∆E = 50 eV
Test neuer Ideen (Elektrodenform, Entfernen gespeicherter Teilchen,..)
Detektor
Aufgaben und Eigenschaften: Nachweis von β−Elektronen
⇒ hohe Effizienz: > 90%
Überwachung der Quelldichte⇒ Pixel−Detektor (≈1000 Pixel)
Untergrundunterdrückung⇒ gute passive und aktive Abschirmung⇒ hohe Energieauflösung: ∆E < 600 eV
MAC−E−TOF Modus ⇒ hohe Zeitauflösung: ∆t < 1µs
Kalibratiosmessungen ⇒ hohe Zählraten: ≤ 1 MHz
⇒ Array aus Silizium−Driftdetektoren
(alternativ: Kryo−Bolometer)
Systematische Unsicherheiten
⇒ Angeregte elektronische Endzuständespielen keine Rolle (∆Eexc > 27 eV)
⇒ Inelastische Stöße im T2 −Film klein
(∆Einel. > 12eV ⇒ größtes Intervall 25eV: 2%)
⇒ Ein wohldefinierter Endzustand
(wie bei Kryo−Detektoren)
Gilt nur, da MAC−E−Filter Antwortfunktion keineAusläufer hat
Je kleiner m(ν), desto kleiner der interessante Bereich unterhalb des Endpunktes
Systematische Unsicherheiten Vibrations−Anregung des Endzustandes Inelastische Streuung
(systematischer Fehler: Troitsk 2%, Mainz 6%) Potentialverteilung über Quelle Festkörpereffekte (nur für QCTS) Stabilität der Parameter (HV, T2−Druck,T2−Reinheit, ...)
1eV
Abschätzung der Empfindlichkeit
Erste Simulation mitkonservativen Annahmen
Sensitivität auf m(νe) ≈ 0.35eV/c2
Technische Herausforderungen
Tritium−Rezirkulation und Reinigung im großen Umfang (kCi)
Mainz: Präzissionsmessung des Tritium β−Spektrums ⇒ m(νe) < 2.2 eV/c2
Alle Probleme beseitigt durch intensive Studien der Systematik und optimale Experimentvorbereitung⇒ keine Troitsk−Anomalie
KATRIN: Ein großes Tritium β−Massenbestimmungmit sub−eV Sensitivität (<0.35 eV)komplementär zu 0νββ und Oszillation⇒ Schlüsselexperiment zur Neutrinomasse