1

Neutrinomassenbestimmung

aus 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

N10

N

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 U

U U U

Einführung

l+/-

(-)

6

i

3

ν

i 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 V

h

mit E p m p dp E dE c 1

4 p E dE V dn 4 p E V p E V

h 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 V

dE 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 x

1 e

1 v

137 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

BΔE

E 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 Kerlaubt 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 1

B 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