Doppelbetazerfall und Suche nach dem neutrinolosen Zerfallsmodus

Transkript

1 Doppelbetazerfall und Suche nach dem neutrinolosen Zerfallsmodus Vorlesung: Kern- und Teilchenphysik II 3. Juni, 2010 Laura Baudis, Universität Zürich 1

2 Inhalt Neutrinomassen: Zusammenfassung Direkte Massenbestimmung Neutrinomassen aus der Kosmologie Doppelbetazerfall Neutrinoloser Doppelbetazerfall und effektive Majorana-Neutrinomasse Experimentelle Anforderungen Experimente Offene Fragen 2

3 Neutrinos und die Masse der Elementarteilchen Neutrinos: viel leichter als die anderen Teilchen was ist die absolute Massenskala? GeV 1. Familie 2. Familie 3. Familie t u d e c s µ b τ 10-8 Das schwerste Neutrino 2 m lightest =? m 2 =0 3

4 Direkte Bestimmung der Neutrinomasse Tritium Betazerfall 3 1 H 3 2 He + e + ν e Aus der Beobachtung des Energiespektrums des Elektrons nahe am Endpunkt des Zerfalls => obere Grenze auf die Elektron-Neutrinomasse m νe < 2.5 ev Mainz-Experiment KATRIN (am FZK) wird die Neutrinomasse bis zu 0.2 ev testen! 4

5 Neutrinomassen aus der Kosmologie Neutrinos: mit den anderen Teilchen im Urknall entstanden Fast so häufig wie Photonen: ρ c = 3H 2 0 8πG 5 H Atome m 3 ~400 Photonen/cm 3, Tgamma = 2.7K, Ω = ρ ρ c Ω γ ~ 10 9 Neutrinos/Proton ~ 300 Neutrinos/cm 3 Anhängig von der Masse tragen Neutrinos zur dunklen Materie bei aus kosmologischen Beobachtungen abhänging von den Annhamen/Daten: i m ν i < ( ) ev Gesamtdichte in Einheiten der kritischen Dichte Ω 5

6 Doppelbetazerfall e ν ν e Falls einfacher β - oder β + -Zerfall aus energetischen Gründen verboten ist, kann sich ein Kern nur durch den doppelten Betazerfall umwandeln, zb: Cd Pd + 2e + + 2ν e Die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls ist jedoch sehr klein, die mittlere Lebensdauer eines Kerns ist viel grösser als das Alter des Universums (τu ~ a) Kermmasse [MeV/c 2 ] Massenparabel der Isobare mit A = 106 τ 2ν a Verwendet man eine Grosse Anzahl von Kernen, so kann dieser Zerfall tatsächlich beobachtet werden! Auf Nukleon-Ebene: ß + ß Cd 2n 2 p + 2e + 2ν e 106 Pb 2 p 2n + 2e + + 2ν e Ladungszahl Z 6

7 Doppelbetazerfall Der Zerfall, unter Aussendung von 2 Neutrinos, wurde in mehr als 10 verschiedenen Kernen beobachtet, ua in: 48 Ca, 76 Ge, 82 Se, 96 Zr, 100 Mo, 116 Cd, 128 Te, 130 Te, 150 Nd, 238 U Das beobachtete Energiespektrum der beiden Elektronen ist kontinuierlich, da die Neutrinos Energie wegtransportieren 100 Mo: T1/2= a beliebige Einheiten 2νββ NEMO Experiment in Modane/Frejus 100 Mo 2β2ν Monte Carlo Background subtracted Energie [kev] 7

8 Doppelbetazerfall Die Zerfallsrate (T 2ν ) -1 hängt vom Matrixelement M 2ν und von dem Phasenraumfaktor G 2ν (verantwortlich für das Energiespektrum) ab: Γ = ( 2ν T ) 1 1/2 = G 2ν (Q, Z) M 2ν 2 mit dem Q-Wert des Zerfalls (Energie, die den Teilchen zur Verfügung steht): Q = E e1 + E e2 + E ν1 + E ν 2 2m e Q = E 0 2m e = m(a, Z) m(a,z + 2) 2m e Der Phasenraumfaktor ist: G 2ν (G F cosθ C ) 4 Q 11 8

9 e Neutrinoloser Doppelbetazerfall e Viel interessanter: der Zerfall ohne Aussendung von Neutrinos ( verboten im Standardmodell der Teilchenphysik, da die Leptonzahlerhaltung verletzt wird, ΔL =2) L = 0 2n 2 p + 2e 2 p 2n + 2e + L = 2 beliebige Einheiten erwartet: Peak beim Q-Wert des Zerfalls Q = E e1 + E e2 2m e Energie [kev] 9

10 Neutrinoloser Doppelbetazerfall Warum ist dieser Zerfall interessant? Auskunft über die absolute Neutrinomasse Entscheidung: Neutrinos und Antineutrinos sind verschiedene Teilchen (Dirac-Teilchen) oder Neutrinos sind ihre eigenen Antiteilchen (Majorana-Teilchen) WARUM? Paul Dirac Ettore Majorana 10

11 Erinnerung: Neutrinos und Händigkeit Die Helizität ( Händigkeit ) von Teilchen wurde definiert als die Projektion des Spinvektors auf die Impulsrichtung: H = s p s p Teilchen mit Spin in Bewegungsrichtung: H = +1 Rechtshändig Teilchen mit Spin entgegen der Bewegungsrichtung: H = -1 Linkshändig Wie wir gesehen hatten, werden in Prozessen der schwachen Wechselwirkung nur linkshändige Neutrinos νl und rechtshändige Anti-Neutrinos νr beobachtet Falls aber mν 0 => vν < c: die Helizität hängt vom Bezugssystem des Beobachters ab! 11

12 Erinnerung: Neutrinos und Händigkeit Die Ladungskonjugation C wandelt Teilchen in Anti-Teilchen um (lässt aber Spin und Impuls unverändert), zum Beispiel: C e L = e L C = e L + Ladungskonjugation C ν L = ν L C = ν L jedoch wurden bisher noch keine linkshändigen Anti-Neutrinos beobachtet! Die Raumspiegelung P ändert die Impulsrichtung, jedoch nicht den Spin, und auch nicht die Ladung: P e L = e L P = e R P ν L = ν L P = ν R Raumspiegelung jedoch wurden bisher noch keine rechtshändigen Neutrinos beobachtet! 12

13 Erinnerung: Neutrinos und Antineutrinos Die beobachtbaren Neutrinos und Antineutrinos sind also durch folgende Operation miteinander verbunden: ν L CP = ν R dieses Ergebnis konnten wir auf 2 Wege interpretieren: 1) Neutrinos sind ihre eigenen Antiteilchen ν L und C = ν L Majorana-Teilchen ν R C = ν R 2) Alle 4 Zustände sind unabhängig voneinader, nur wurden (ν L ) C and (ν R ) noch nicht beobachtet ν L und C ν L Dirac-Teilchen ν R C ν R 13

14 Neutrinos und Antineutrinos Wir können also schreiben: Majorana neutrinos: CP ν M = ν L + ν R C Dirac neutrinos: ν = ν L + ν R CP ν C = ν L C + ν R C 14

15 Bemerkung Wir hatten die Projektionsoperatoren eingeführt: P L = 1 2 (1 γ 5 ) P R = 1 2 (1+ γ 5 ) mit ψ L = P L ψ ψ R = P R ψ ψ = ψ L + ψ R und P L 2 = P L P R 2 = P R P R P L = P L P R = 0 Es gilt also: P L ψ R = P R ψ L = 0 γ 5 ψ R = ψ R γ 5 ψ L = ψ L Die Eigenwerte ± 1 zu γ 5 werden Chiralität genannt ψl hat also negative, und ψr positive Chiralität Nur für m = 0 ist die Chiralität gleich der Helizität! ψl und ψr sind also Eigenspinoren zum Helizitätsoperator mit EW ± 1 Für m > 0 beschreiben die Chiralitätseigenspinoren ψl und ψr nicht Teilchen mit fester Helizität 15

16 Erinnerung: Experimente Beobachtung: Neutrinos, die beim Zerfall von positiv geladener Pionen π + entstehen, produzieren immer ein µ - bei der Wechselwirkung mit Materie: µ µ + π + ν µ Neutrino-Quelle ν µ + N µ + X ν µ + N µ + + X Detektor und umgekehrt: bei der WW mit Anti-Neutrinos entstehen nur positiv geladene Myonen µ + : ν µ + N µ + + X ν µ + N µ + X µ + µ π ν µ Neutrino-Quelle Detektor 16

17 Erinnerung: Experimente Die Standarderklärung für diese Beobachtungen: Neutrinos und Anti-Neutrinos sind unterschiedliche Teilchen es existiert eine Quantenzahl, die bei diesen Prozessen erhalten bleibt: die Leptonzahl; Leptonen tragen L =+1 und Anti-Leptonen L =-1 L = -1 ν µ + N µ + + X L = -1 L = -1 ν µ + N µ + X L = +1 Es gibt jedoch keinen Hinweis, dass diese Erklärung korrekt ist; alternative Erklärung: das Neutrino, dass beim π + -Zerfall entsteht, ist linkshändig (H = -1) und das Neutrino, dass beim π - -Zerfall entsteht, ist rechtshändig (H =+1). Die schwache WW könnte so sein, dass linkshändige Neutrinos ein µ - produzieren, und rechtshändige Neutrinos ein µ +. dies könnte alle Beobachtungen erklären, und die Leptonenzahl muss nicht eingeführt werden Experimente, die dies entscheiden könnten sind jedoch extrem schwierig 17

18 Neutrinoloser Doppelbetazerfall Ein virtuelles Neutrino wird ausgetauscht: u d d d d u W - ν c R ν L W - u d u e - e - u d u das Neutron zerfällt unter Emission von einem rechtshändigen Anti-Neutrino ν R C C ν R das muss am nächsten Vertex als linkshändiges Neutrino absorbiert werden ν L A) Neutrinos und Anti-Neutrino müssen also identisch sein: Majorana-Teilchen B) Damit sich die Helizität ändern kann, muss mν > 0 sein 18

19 Neutrinoloser Doppelbetazerfall Also auf Quark-Niveau: dd uu + e e Das Antinetrino, das am ersten Vertex zusammen mit dem W- Boson und Elektron entsteht, ist in einem rechtshändigen Zustand Falls aber die Masse mi des νi mit Ei ungleich Null ist, so hat dieser Zustand eine kleine Beimischung, der Grössenordnung mi/ei, einer linkshändigen Komponente Am zweiten Vertex, wo das Neutrino absorbiert wird, und ein Elektron entsteht, kann der linkshändige schwache Strom W - nur die linksändige Komponente des νi absorbieren Daher ist der Beitrag des νi -Austausches proportional zu mi Summieren wir jetzt über mi und betrachten auch die Faktoren Uei, so ist die Amplitude des Zerfalls proportional zu der Grösse: u d d d d u W - ν R c ν L W - u d u e - Feynman-Diagramm für den neutrinolosen Doppelbetazerfall e - u d u U 2 m ei m ββ Diese Grösse ist bekannt als die effektive Majorana Neutrinomasse i Der Majorana-Massenterm verletzt die Leptonzahlerhaltung um L = 2 19

20 Neutrinoloser Doppelbetazerfall Die erwartete Rate (T1/2) -1 ist: mit dem Q-Wert des Zerfalls: ( ) 1 = G 0ν (Q,Z) M 0ν 2 m ββ 0ν Γ = T 1/2 m e 2 n ν R c ν L p e - e - n p Q = E e1 + E e2 2m e und dem Phasenraumintegral: G 0ν (G F cosθ C ) 4 Q+m e m e F(E e1, Z f )F(E e2, Z f )p e1 p e2 E e1 E e2 de e1 wobei Zf = Ladung des Tocherkerns 20

21 Neutrinoloser Doppelbetazerfall und F = Fermi-Funktion F(E, Z) = E p 2πZα 1 exp( 2πZα) durch die, wie beim einfachen β-zerfall, die Coulomb-Wechselwirkung zwischen dem auslaufenden Elektron und dem Tochterkern, einschliesslich der Abschirmung der Kernladung durch die Hüllenelektronen berücksichtigt wird Man erhält für das Phasenraumintegral: G 0ν (G F cosθ C ) 4 Q Q2 3 + Q 2 5 (G F cosθ C ) 4 Q 5 vom Phasenraum her ist der 0νββ-Zerfall mit nur 2 Leptonen im Endzustand gegenüber dem 2νββ-Zerfall mit 4 Leptonen bevorzugt falls also mν me wäre, so wäre der 0νββ-Zerfall etwa 10 5 mal schneller als der 2νββ- Zerfall 21

22 Neutrinoloser Doppelbetazerfall Wir hatten also ( ) 1 = G 0ν (Q, Z) M 0ν 2 m ββ 0ν Γ = T 1/2 m e 2 mit der effektiven Majorana-Neutrinomasse: m ββ = U 2 ei m i i und Uei = Matrixelemente der PMNS-Matrix, mi = Eigenwerte der Neutrinomassen-Matrix Flavor-EZ ν e = U ei ν i i EZ des Massenoperators 22

23 Effektive Majorana Neutrinomasse m ββ ist also eine Mischung aus m1, m2, m3, proportional zu den Uei 2, wobei Uei komplex m ββ = m 1 U e1 2 + m2 U e2 2 e i(α 1 α 2 ) + m 3 U e3 2 e i( α 1 2δ ) mit U e1 U e2 U e3 U µ1 U µ2 U µ 3 = U τ1 U τ 2 U τ 3 c 12 c 13 s 12 c 13 s 13 e iδ s 12 c 23 c 12 s 23 s 13 e iδ c 12 c 23 s 12 s 23 s 13 e iδ s 23 c 13 s 12 s 23 c 12 c 23 s 13 e iδ c 12 s 23 s 12 c 23 s 13 e iδ c 23 c e iα 2 / e iα 1 /2 wobei cij = cosθij, sij = sinθij, α1,α2 = Majorana-Phasen Wahrscheinlichkeit, dass νe die Masse m1 hat 23

24 Effektive Majorana Neutrinomasse Beispiel: wir nehmen an, dass die Massenhierarchie invertiert ist; falls die νi nicht viel schwerer als die Massendifferenzen sind, dann können wir den Beitrag von ν3 vernachlässigen, da sowohl m3, als auch Ue3 2 = s13 2 klein sind. Wir können also c13 = 1 setzen und erhalten: m ββ m 0 1 sin 2 2θ sol sin 2 Δα 2 m0 = mittlere Masse von m1, m2; CP -verletzende Phase: Δα α 2 α 1 Obwohl wir α nicht kennen, gilt aus der obigen Gleichung: m ββ m 0 cos2θ sol für ein invertiertes Spektrum ist m 0 2 Δm atm 45 mev und wir wissen dass: cos2θ sol > 0.25 m ββ > 10 mev Ein Experiment mit dieser Empfindlichkeit sollte also für diesen Fall ein Signal beobachten! 24

25 Effektive Majorana Neutrinomasse Beispiel: die effektive Neutrinomasse als Funktion der kleinsten Neutrinomasse für verschiedene Werte von Ue3 2 und für zwei Neutrinomassen-Szenarien ( normale und invertierte Hierarchie) Normal Invertiert m 3 > m 2 > m 1 m 2 > m 1 > m

26 Experimentele Anforderungen Experimente messen die Halbwertszeit des Zerfalls (T1/2) T 0ν a ε 1/2 M t ΔE B die Empfindlichkeit hängt ab von: a = Anreicherung ε = Effizienz des Detektors für den Nachweis der e - M = Masse t = Messzeit E = Energieauflösung beim Q-Wert des Zerfalls B = Untergrund im relevanten Energiebereich Anforderungen: a) sehr grosse Detektormassen ( 1 Tonne) b) angereicherte Materialien c) sehr niedriger Untergrund d) exzellente Energieauflösung 1 T 0ν 1/2 m ββ 26

27 Experimente: 2 Philosophien Quelle Detektor Quelle = Detektor (Kalorimetrie) β 1 β 1 β 2 β 2 Quelle als dünne Folie Elektronen werden im separaten Detektor nachgewiesen (Szintillator, TPC, Driftkammer, Halbleiterdetektoren) Detektor misst die Summe der Energien der beiden Elektronen Die Signatur ist ein Peak beim Q-Wert des Zerfalls Szintillatoren, Halbleiterdetektoren, Bolometer NEMO (Modane/Frejus) CUORICINO (LNGS/Italien) 27

28 Experimente: 2 Philosophien Quelle Detektor Quelle = Detektor (Kalorimetrie) β 1 β 1 β 2 β 2 Topologie der Ereignisse wird zur Untergrundunterdrückung verwendet Winkelkorrelationen und die Energie der einzelnen Elektronen werden gemessen Viele Isotope als mögliche Quellen Grosse Massen möglich Hohe Effizienz für den Nachweis der beiden Elektronen Gute Energieauflösung Recht kleine Materialmengen Niedrige Effizienz ia schlechte Energieauflösung Keine Winkelkorrelation 28

29 Untergrund für Doppelbetaexperimente primordiale Radionuklide ( 238 U, 232 Th, 40 K) in den Detektor-Materialien, in der Abschirmung und den Laborwänden (Alpha, Beta, Gamma und Neutronen) kosmische Aktivierung der Detektormaterialien (zb. 60 Co, 54 Mn, 65 Zn,...) Kosmische Strahlung (Myonen)!!! "#"!"! $! "%&!! Radon in der Luft,... ##!$! ##!!! und " ' #!(!)* " ' #+* ββ2ν-ereignisse: unausweichbarer Untergrund! => sehr gute Energieauflösung des Detektors ist massgebend 29

30 Bisherige Grenzen auf die effektive Neutrinomasse Kandidat, Qββ [kev] Halbwertszeit [Jahre] m ββ [ev] 48 Ca, 4271 > 9.5 x < Ge, 2039 > 1.9 x < Se, 2995 > 2.7 x < Mo, 3034 > 5.5 x < Cd, 2805 > 7.0 x < Te, 2530 > 3.0 x < Xe, 2476 > 4.4 x < Nd, 3367 > 1.2 x < 3 30

31 Das Heidelberg-Moscow Experiment 5 HPGe Kristalle am Gran Sasso Labor 76 Ge, mit a = 87% (anat = 7.4%) aktive Masse: 11 kg Gesamtmesszeit ( ): 71.7 kg yr ~ νββ Ereignisse T 2ν = yr 1/2 Untergrund im 0νββ-Bereich: 0.11 Ereignisse/(kg kev yr) 2νββ-Signal + Untergrund 2νββ-Ereignisse T 0ν 1/2 > yr m ββ < 0.35eV 90%CL 31

32 Das Heidelberg-Moscow Spektrum 32

33 Evidenz für den Neutrinolosen Doppelbetazerfall? Peak beim Q-Wert des Zerfalls H.V.Klapdor-Kleingrothaus et al., Phys. Lett. B 586 (2004) 198 T 0ν 1/2 = yr Periode : 28.8 ± 6.9 Ereignisse Periode : 23.0 ± 5.7 Ereignisse σ Evidenz 214 Bi kev 214 Bi kev kev 214 Bi kev 0nußß-Zerfall?? m ββ = 0.44 ev ( ) ev Evidenz unklar muss mit neuen, empfindlicheren Experimenten getestet werden 33

34 Das CURICINO Experiment!"#$%!%&#!"#$%!%&#'()*+,'-./ TeO2 Kalorimeter am Gran Sasso Labor!"#$%!%&#'()*+,'-./ Gesamtmasse: 40.7 kg 130Te-Masse: 11.2 kg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ββ = 2529 kev /0#1-230) !'()*+*,(!!"#$%"!#$!%&'$!()*+,-.+!'()*+*,( natürliche Häufigkeit: 33.9%!!!!!/01-+. aktives Isotop: 130Te!'()*+*,(!!"#$%"!#$!%&'$!()*+,-.+!'()*+*,( 1 tower: 62 TeO2 Krystalle!! ()(01'02(34+'5066! ()(01'02(34+'5066 # 7+# $'89:;'<=' # 7+#.'.'$'89:;'<=' >?97+ $'>>:.'<= #>?9 # 7+''$'>>:.'<= >.@7+ $'>9:?'<= #>.@ # 7+''$'>9:?'<= 34

35 CUORICINO Ergebnisse Statistik: 5 kg yr Energieauflösung (FWHM) ΔE = 7.5 kev bei Qββ Untergrund (U/Th auf Cu und TeO2 Oberflächen =>α and β): B 0.18 ± 0.02 counts/kg/yr/kev MNR F$ T1/2 > years mββ < ev 1N K" K=%O65#H"$.'%0!%#$=P%G0BQ0IEN)N@NA2 35

36 NEMO: 100 Mo und 82 Se Tracking-Detektor am Frejus-Labor, Modane (4800 mwe) 10 kg angereichertes Material in dünnen Folien 6160 Geiger-Zellen => Drift-Drahtkammern 1940 Plastik-Szintillatoren + PMTs ),!"# " # " / %"&'(")* >;<@+B=,*E%A?C1*&7;B>*FB;1*@G<CH1;- 36

37 NEMO Ergebnisse MI1S%) I:6%)!"#$%&"'()*+,$-%.+,*'/.% %56789: ; %=#$-+=> 100 Mo: T1/2 > yr mββ < ev 82 Se: T1/2 > yr mββ < ev 37

38 Empfindlichkeit von Doppelbetaexperimenten 90% prob. lower limit T1/2 [10 25 yr] B = 10-3 Ereignisse/(kg kev yr) B = 10-2 Ereignisse/(kg kev yr) Klapdor-Kleingrothaus HM Signal Masse x Messzeit [kg yr] 38

39 Zukünftige Experimente Experiment Kern Detektor T 0ν (y) < m ν > ev CUORE 130Te.77 t of TeO 2 Bolometer (nat) 7 x EXO 136Xe 200 kg - 10 t Xe TPC (Ba tagging) 1 x GERDA 76Ge 40 kg - 1 t Ge Dioden in LAr 1 x MAJORANA 76Ge 1 t Ge Diodes 4 x MOON 100Mo 34 t nat. Mo sheets/plastic sc. 1 x DCBA 150Nd 20 kg Nd-tracking 2 x CAMEO 116Cd 1 t CdWO 4 in flüssig Szintillator > COBRA 116Cd, 130 Te 10 kg of CdTe Halbleiterdetektoren 1 x Candles 48Ca Einige Tonnen CaF 2 flüssig Szintillator 1 x GSO 116Cd 2 t Gd 2 SiO 5 in flüssig Szintillator 2 x XMASS 136Xe 1 t flüssig Xenon 3 x NEXT 136Xe 100kg - 1 t gasförmiges Xenon (10 bar) 39

40 Das GERDA Experiment Betreibe nackte HPGe-Kristalle in grossem flüssigen Argon (LAr) Kryostat LAr: Abschirmung gegenüber dem externen Untergrund (Gamma, Neutronen) LAr: Kühlmedium für die Detektoren ( ~ 87 K) Interner Untergrund: minimale Materialmenge um Detektoren herum minimale Exponierung an der kosmischen Strahlung Kupfer-Abschirmung Pulsform der Ereignisse (6 cm) Falls LAr mit Lichtdetektoren (PMTs) instrumentiert zusätzliche Untergrundreduktion durch Anti-Koinziden Ge-LAr Vakuum-isolierter, doppelwandiger Edelstahl-Kryostat, 8 cm Vakuum-Gap 40

41 Das GERDA Experiment: schematischer Aufbau Schleuse Reinraum 10 m Edelstahl-Kryostat (65 m 3 LAr) 10 m Wassertank (650 m 3 H2O; 66 PMTs als Veto für Myonen) Schienensystem für Detektor-Strings 41

42 Muon Intensity [m -2 y -1 ] Das GERDA Experiment am Gran Sasso Labor ~3100 m.w.e; Myonenfluss 1 m -2 h -1 Muon flux vs overburden 10 6 Proposed NUSL Homestake Current Laboratories 10 5 WIPP Soudan Muon Intensity, m -2 y Kamioka Homestake (Chlorine) Gran Sasso Baksan Mont Blanc 10 2 NUSL - Homestake Sudbury Depth, meters equivalent Tiefe [meters water equivalent] 42

43 GERDA Detektor-Array Eichquellen Phase II Detektoren Phase I Detektoren ~ 40 cm Phase I Detektoren ( ~18 kg, 8 x 76 Ge) Phase II Detektoren ( ~22 kg, 14 x 76 Ge) 43

44 GERDA Phase I 8 angereicherte 76 Ge Detektoren ~ 18 kg Masse x Messzeit = 30 kg yr Untergrund: B =10-2 Ereignisse/(kg kev yr) Erreichbare Empfindlichkeit: T 0ν 1/2 > yr m ββ < 0.27 ev Falls Klapdor-Kleingrothaus-Signal wahr, ist die Erwartung für GERDA: 13 Signal-Ereignisse und 3 Untergrund-Ereignisse im E = 10 kev Intervall um den Q-Wert des Zerfalls (Q = 2039 kev) m ββ 0.40 ev 44

45 Untergrundvorhersagen für GERDA Phase I Aus Messungen der Radioaktivität der Materialien, und Monte Carlo Simulationen Quelle Externe Gammas von 208 Tl ( 232 Th) Externe Neutronen aus (alpha,n) Externe Myonen (Veto) Interne 68 Ge (T1/2 = 270 d) Zerfälle Interne 60 Co (T1/2 = 5.27 yr) Zerfälle 222 Rn-Zerfälle in LAr 208 Tl, 238 U in Halterungen der HPGe Oberflächenkontaminationen B [10-3 Ereignisse/(keV kg yr)] <1 <0.05 < <0.2 <1 <0.6 Nach Myon-Veto 180 Tage Exponierung an der Erdoberfläche nach der Anreicherung Deaktivierung im Untergrund 30 Tage Exponierung nach Kristallzüchtung 45

46 Untergrund GERDA Phase I weitere Untergrundreduktion durch Pulsformanalyse Mehrfachstreuungen: MSE Einfachstreuungen: SSE ßß-Zerfall HPGe-Detektor Beispiel: im Heidelberg-Moscow-Experiment Reduktion des Untergrundes im ββ-bereich: ~ Faktor 3 46

47 GERDA PHASE II Ge, 18-fach segmentierte Detektoren + 8 Phase-I Detektoren, 40 kg Masse x Messzeit = 150 kg yr, Untergrund: B =10-3 Ereignisse/(kg kev yr) Erreichbare Empfindlichkeit: T 0ν 1/2 > yr m ββ < 0.11 ev SSE, λ ~ mm MSE, λ ~ cm Segmentierung: 6 (φ) x 3 (z) ββ - Ereignis γ Gamma-Untergrund durch Segmentierung: Unterscheidung von Einzeln- (SSE) und Mehrfach- (MSE) Wechselwirkungen 47

48 Untergrundreduktion mit LAr-Veto Bisherige Tests und Monte Carlo Simulationen: ~ Faktor 300 in ββ-energiebereich Hz 232 Th Quelle 48

49 Status des GERDA-Experimentes August 2007, Bodenplatte für den Wassertank Dezember

50 Status des GERDA-Experimentes Der GERDA Kryostat wurde am 6. März 2008 am LNGS geliefert und installiert 50

51 Status des GERDA-Experimentes Installation des Wassertanks: Juni 2008 Installation des Myonenvetos: März 2010 Mai 2010!"#$%&'!()*&#+",'-./0'1#23#45#+ 51

52 Erwartete Empfindlichkeit auf <mββ> 90% prob. uper limit <mββ> [ev] Klapdor-Kleingrothaus HM Signal M 0ν = 3.92 V.A. Rodin et al., Nucl. Phys. A 366 (2006) , Nucl. Phys. A793 (2007) B = 10-2 Ereignisse/(kg kev yr) B = 10-3 Ereignisse/(kg kev yr) Exposure [kg yr] 52

53 Zusammenfassung Neutrinos sind anders! Starke Evidenz für Neutrinomassen (und daher Physik jenseits des Standardmodells) Jedoch viele Fragen bleiben offen: absolute Massenskala und Hierarchie? Majorana- versus Dirac-Teilchen? gibt es CP-Verletzung im Neutrino-Sektor? was ist der Ursprung der kleinen Neutrinomassen? was ist der Ursprung der grossen Neutrino-Mischung? wie gross ist Θ13, oder ist Θ 13 0? Die Beobachtung des neutrinolosen Doppelbetazerfalls könnte einige dieser Fragen beantworten 53

54 Ende 54