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1
Neutrinomassenbestimmungaus dem
Tritiumzerfall
Vortrag von Alexander Gebel am 01.02.2005
3 31 2 eH He e
2
Einführungß-ZerfallMAC-E-FilterMainzer ExperimentKATRIN
3
1930 Pauli postuliert das Neutrino:• neutral• leicht• Spin ½
1956 experimenteller Nachweis von Reines und Cowan
e
μ
τ
Heute:Elektronneutrino ν (1956) Myonneutrino ν (1962)
Tauneutrino ν (2000)
Einführung
4
Einführung
2
3
9
B
auf der Erde von der Sonne:
65 Milliarden pro s und cm
im Universum:
ca 330 Neutrinos in cm
N 10N
Energie-/Massenverteilung
5
ν
ν
e
e
2 2 2ij i j
Im Standardmodell m = 0,
aber aus Neutrinooszillation m 0
keine direkte Masse, nur m m m= ( ) - ( )
e e1 e2 e3 1
1 2 3 2
31 2 3
U U UU U UU U U
Einführung
l+/-
(-)
6
i
3
νi 1
e
e
01 2
neutrinoloser doppelter ß-Zerfall (0 ßß)
Majorana Neutrinos
1 T m 0, 44 eV ?
m
Aus der Kosmologie m 0,7-2,0 eV
Direkte Neutrinomassenbestimmung aus dem Tritiumzerfall
~
normal (2 ßß)
Klapdor-Kleingrothaus et. al., Phys. Lett B586 (2004)
neutrinolos (0 ßß)
Einführung
7
0
A AZ Z 1 e
3 31 2 e
e
X Y
E E E
e
H He e
n p e
ß-Zerfall
8
ß-ZerfallEnergiespektrum der ß-Elektronen beim Tritiumzerfall
9
ß-Zerfall
187
0
101 2
3
0
- Re (Rhenium): - kleinste Übergangsenergie E = 2,6 keV
- Halbwertszeit T = 5 10 a
- H (Tritium): - zweitkleinste Übergangsenergie E = 18,57 keV
aber
-
Kandidaten:
1 2Halbwertszeit T = 12,32 a
- erlaubter Übergang - einfache Elektronenschalenkonfiguration
10
ß-Zerfall
2
3
2 2 2
3 3 2 3
4 p dp Vh
mit E p m p dp E dE c 1
4 p E dE V dn 4 p E V p E Vh dE h 2
dn
dn
22 2
2 2mit const. für erlaubten ß Zerfall
d N 2 2M(E) (E) M (E),dt dE
M(E) M
Fermi s goldene Regel:
11
ß-Zerfall
22d N 2 M (E)
dt dE
Fermi s goldene Regel:
3 2 3
2e e e
4 6e
e e 0 e
2 2 2e e 0 0
4 6
dn 4 p E V p E VdE h 2
dn dn p E p E V(E)
dE dE 4
wobei E E (E m ) E E m const.
p (E m ) (E E) m (E E) V(E)
4
12
ß-Zerfall
F C lep had
2had
2lep 2
x
M G cos M M
M (tritium) 5,55
1M F(E, Z 1)V
x 2 (Z 1)F(E,Z 1) mit x1 e
1 v137 c
22d N 2 M (E)
dt dE
Fermi s goldene Regel:
13
ß-ZerfallF
2 22C 2 2 2
had e e 0 ν 03 7
2 2e e 0 ν 0
e e1 e2 e3 1
μ μ1 μ2 μ3 2
3τ τ1 τ2 τ3
G cos θd N = M F(E,Z+1) p (E+m ) (E -E) -m (E -E)dt dE 2π
= A F(E,Z+1) p (E+m ) (E -E) -m (E -E)
mit
ν U U U νν = U U U ν
νν U U U
h14444444244444443
i
i
22 2ν ei ν
i
22 2 2
e e ei 0 ν 0i
m = U m
d N =A F(E,Z+1) p (E+m ) U (E -E) -m (E -E)dt dE
14
2stat syst
2stat syst
ITEP Experiment (1987) :
17 m 40 eV
Mainz (2004) :
m ( 0,6 2,2 2,1 ) eV
m 2,3 eV (CL 95%)
Troitsk (1999) :
m ( 1,0 3,0 2,5 ) eV
m 2,5 eV (CL 95%)
Bisherige Tritiumexperimente
15
II
min
max
E E E
Eμ const.B
BΔEE B
MAC-E-FilterMagnetic Adiabatic Collimation by an Electrostatic Filter
16
hohe Energieauflösung
große Raumwinkelakzeptanz 2
hohe Luminosität
niedriger Untergrund
MAC-E-FilterMagnetic Adiabatic Collimation by an Electrostatic Filter
17
MAC-E-FilterTransmissionsfunktion eines MAC-E-Filters
18
MAINZ
19
MAINZ
20
MAINZ
2stat syst
2 2stat syst
1998 1999 :
m ( 1,6 2,5 2,1 ) eV
m 2,2 eV (95% C.L.)
2001:
m ( 1,2 2,2 2,1 ) (eV)
m 2,2 eV (95% C.L.)
21
KATRIN Karlsruher Tritium Neutrinoexperiment
70 m
e
Ziel: direkte Neutrinomassenbestimmung mit Sensitivität m < 0,2 eV (90% CL)
22
KATRIN
70 m
• 2 molekulare Tritiumquellen• Elektronentransportsystem und Tritiumeliminierungssystem, bestehend aus dem Kryofallenbereich• Vor- und Hauptspektrometer• Halbleiterdetektor
23
KATRIN WGTS: 9cm, L = 10m, T = 30 K
erlaubt nahezu maximal Zählrate
QCTS: 8cm, T=1.6 K, d = 35 nm (nur Option)
24
KATRIN
nur nochenergetische Elektronen werden transmittiert Streuung im Hauptspektrometer wird reduziert Untergrund wird reduziert
nur moderate Energieauflösung nötig E = 50 eV
Aufbau des Vorspektrometers
25
KATRIN Aufbau des Vorspektrometers
26
KATRIN
transportmagnets
spectrometersolenoids
Aufbau des Hauptspektrometers
Anal
max
-11
ein großer Tank mit masselosen Elektroden 10m, L = 24m, E = 0,93 eV
B 1B 20.000
hohe Anforderungen an das Vakuum p < 10 mbar
27
KATRIN Silizium-Detektor:
- hohe Effizienz ( ~ 95 %)- hohe Energieauflösung (E < 600 eV)- hohe Zählraten ( < 1 MHz)- hohe Ortsauflösung- geringe - Effizienz
28
idealer Platz:Forschungszentrum Karlsruhe
- einzigartiges Tritiumlabor - hochauflösende Detektoren- sehr gut mit Vakuumtechnik vertraut
KATRIN
WESTFÄLISCHE WILHELMS-UNIVERSITÄT
MÜNSTER
29
• Ch. Weinheimer „Laboratory limits on neutrino masses“• Ch. Weinheimer „Haben Neutrinos eine Masse?“• N. Schmitz „Neutrinophysik“• Mayer Kuckuck „Kernphysik“• G. Drexlin „KATRIN: ein neues Tritium-ß-Zerfallsexperiment zur Messung der Masse des Elektronneutrinos im sub-eV-Bereich“• http://www-ik.fzk.de/katrin• http://www1.physik.tu-muenchen.de/lehrstuehle/T30d/lectures/ SEMINARE/04talks/NUmass.pdf
Literatur