Das KATRIN Experiment. Motivation Referenzdesign & Status Sensitivität t & Ausblick

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1 Das KATRIN Experiment Motivation Referenzdesign & Status Sensitivität t & Ausblick

2 Motivation - Astroteilchenphysik modellunabhängige ngige Bestimmung der ν-masse (Sensitivität m ν = 0.2 ev) quasi-degeneriert Teilchenphysik hierarchisch Kosmologie

3 KATRIN Messprinzip T 2 exp. Observable = m 2 ν E 0 = 18.6 kev T 1/2 = 12.3 y Magnetfeld: adiab. Führung der Elektronen Elektrisches Feld: präzise Energieanalyse wichtig: magnetische adiabatische Kollimation!

4 Das KATRIN Experiment Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment TLK im Aufbau am Tritiumlabor Karlsruhe (TLK) am Forschungszentrum Karlsruhe

5 Fensterlose WGTS Tritiumquelle Technisches -Design Auslegung molekulare gasförmige ß-Quelle maximaler Luminosität (10 11 ß/s) integrales Designkriterium: Säulendichte S ρd = Moleküle / cm 2 Strahlrohr l=10m Ø=90mm Präzision: ± 0.1% Einzelkriterien: Magnetfeld B = 3.6 T (±2%) Tritiuminjektion Mol/s (= 4.7 Ci/s = Bq/s = 40 g / d) Temperatur Pumpleistung T = 27-30K T 30 mk l / s 12/2004: Auftragsvergabe Pumpport-Design

6 WGTS Technisches Design 01-08/2005: konzeptionelles Design durch Hersteller Kryoversorgung DPS1-R WGTS DPS1-F Technical Design Report (August 2005) Konzept Strahlrohrkühlung T < 30 mk Magnetdesign: Inhomogenität B/B < 2% diff. Pumpen: Leitwert Pumpport > 2000 l/s Pumpport-Design

7 WGTS Kühlkonzept Strahlrohr erforderliche Betriebstemperaturparameter (T = K) : räumlich (Homogenität): ± 0.1% entlang Strahlrohr zeitlich (Stabilität): ± 0.1% pro Stunde T ± 30 mk! Konzept: 2-Phasen Neon (sied. Flüssigkeit) T 2 2 separate KühlrohreK 2 Wände zwischen T 2 & LNe! Ø=16mm Untersuchungen zur Systemdynamik 2006: Demonstrator

8 Fensterlose Tritiumquelle: T 2 Kreislauf Testexperiment TILO Design Tritiumkreislauf im TLK Experimentelle Ziele Differential Pump Cascade Differential Pump Cascade Test molekularkinet. Modelle Meß- und Regeltechniksystem Source tube to Spectrometer Messungen seit Juni 2005 Transfer Pump FIR PIRCA± Palladium Membrane Filter Pure Q2 Pure T2 Buffer Vessel Pressure Controlled WGTS Buffer Vessel PIRCA± PIRS± Argon Frost Pumping FIRCA± to TLK Tritium Recovery and Purification System Gaseous Waste Buffer Vessel inner Loop outer Loop from TLK Isotope Separation System Vacuum Pump System Inner Loop Outer Loop KATRIN Secondary Containment (Glove Box) stabile WGTS Parameter hohe Tritiumreinheit

9 Kryogene Pumpstrecke - Auslegung Aufgabe: Rückhaltung R Tritiumfluß aus differ.. Pumpstrecke T 2 - Partialdruck Spektrometer p < mbar Methode: Kryosorption an kondensiertem Ar-Frost Rate: <1 Ci T 2 in 60 Tagen (Regeneration mit He-Gas) Kryokondensation T 2 stainless steel Edelstahl kondensierte 83m Kr-Quelle CKrS (U Münster) s. Postersession Kryosorption T 2 Ar-Schnee stainless steel Edelstahl

10 Kryogene Pumpstrecke - TRAP Testexperiment TRAP: - T 2 -Sorption an Ar -T 2 -Migration? ß-Zerfall Tritium Argon Pump erste Messungen mit DT im August/Sept. 2005: - Sorptionsrate an Ar-Schnee - keine sichtbare T 2 Migration tritiumfreie Spektrometer T 2 Migration in CPS?

11 Elektrostatische Spektrometer - Auslegung Tandem: Vorfilter & Energieanalyse von ß-Zerfallselektronen

12 Elektrostatische Spektrometer - Auslegung Tandem: Vorfilter & Energieanalyse von ß-Zerfallselektronen e - /s 10 3 e - /s <10-2 e - /s Minimierung von ionisierenden Stößen - Untergrundreduzierung im Hauptspektrometer

13 Vorspektrometer - Status U Karlsruhe Resultate UHV-Messungen: 4-12/ C mbar l / cm 2 s RT p < mbar (Langzeitbetrieb) UHV-Konzept Einbau innere Elektrode Heiz-/Kühlsystem & Magnete

14 Vorspektrometer elmagn. Tests Aufgabe: Verifikation des elektromagnetischen Konzeptes Meßbeginn: Herbst 2005 SL-Magnete 8x8 Si-PIN Array E-gun

15 Hauptspektrometer DWE Design Design Parameter: Volumen: 1258 m 3 Oberfläche: 605 m 2 Wandstärke: 32 mm Material Gewicht: 192 t Auftragsvergabe 12/04

16 Hauptspektrometer Fertigung Plasmaschneiden unter Wasser Donau Fertigungshalle DWE Edelstahlbleche nach Plasmaschneiden

17 Hauptspektrometer Transportlogistik Start: Deggendorfer Werft NATO Rampe Leopoldshafen FZK-TLK Anlieferung: Spätsommer 2006

18 Hauptspektrometer innere Elektrode Aufgaben des inneren Draht-Elektrodensystems: - Untergrundreduktion Abschirmung niederenerget. Elektronen Entleerung gespeicherter Teilchen - Feinformung Retardierungspotential 1.7m Montagezugang

19 Inneres Draht-Elektrodensystem Wandhalterung M10 Doppellagiges System (U Münster) Keramik-Isolator 1. Drahtebene L 2 = 50 mm L 1 = 150 mm s 1 = 25 mm s 2 = 25 mm Ø 1 = 0.5 mm Ø 2 = 0.15 mm parallel / äquidistant zu Spektrometerwand const. Drahtanzahl const. U 1 = U sp + U 1 2. Drahtebene nicht äquidistant var. Drahtanzahl var. U 2 = U sp + U 2 Durchhang: sub-mm!

20 Inneres Draht-Elektrodensystem Montagesystem für inneres Elektrodensystem! Montage muß UHV-kompatibel sein! U Karlsruhe

21 extrem präziser HV-Teiler U Münster Präzisions zisions-hv Versorgung Messungen erfordern HV Stabilisierung/Monitoring/ Kalibration auf ppm Niveau (wideband: DC bis MHz) Konzept eines HV-Regulationssystems (FZK)

22 extrem präziser HV-Teiler U Münster Präzisions zisions-hv Versorgung Messungen erfordern HV Stabilisierung/Monitoring/ Kalibration auf ppm Niveau (wideband: DC bis MHz) 0-35 kv Spannungsteiler 0-10 V 1:1972 Präzisions-HV Netzgerät Präzisions-Digital- Voltmeter < ± 5 ppm Stabilität 0.5ppm/h (4ppm/1y) Test an PTB: sub-ppm Level!! ppm-spannungsteiler

23 Fokalebenendetektor Aufgabe: Nachweis der transmittierten ß-Zerfallselektronen mit hoher Energieauflösung ( E( E =1 kev) Ausmessung radiales Profil des Flußschlauches Ziel: Untergrundminimierung, systematische Effekte Detektormagnet B = 3-6 T Flußschlauch Design: radial segmentiertes Si-PIN Dioden Array ~400 Pixel mit A=100 cm² Elektrode (kv-nachbeschl.) low-level Detektor Shielding & Veto

24 KATRIN Designoptimierung Verbesserung der exp. Sensitität ( ) 04) Statistik Unter- grund System. Fehler Vergröß ößerung des Durchmessers der WGTS ( 2)( Vergröß ößerung der Dimensionen Hauptspektrometer (Ø = 7m 7 10 m,, L = 20 m 23 m) für E=0.93 ev Verbesserung Tritiuminfrastruktur (T 2 Reinheit 70% 95%) Inneres Drahtelektrodensystem (Vor- & Hauptspektrometer) aktive Fallenentleerung (Dipolfelder,, FT-ICR) extremes UHV mit p < mbar Monitorspektrometer (Referenz für HV) System zur Messung inelast. ß-Streuprozesse in WGTS Stabilisierung der WGTS-Parameter auf 0.1% (T,p( Optimierung & Erweiterung der T,p inj, ) der Tritiumpumpstrecke

25 KATRIN Sensitivität Sensitivitätsoptimierung: LoI (2001) Referenzdesign (2004) - - verbesserte Statistik: Quell-Luminosität, T 2 Reinheit - reduzierte Systematik: ß-Wechselwirkung in Quelle verbesserte Sensitivität m ν =0.2 ev (90%CL.)

26 KATRIN Sensitivität & ßß-Zerfall Sensitivitätsoptimierung: LoI (2001) Referenzdesign (2004) - - verbesserte Statistik: Quell-Luminosität, T 2 Reinheit verbesserte Sensitivität - reduzierte Systematik: ß-Wechselwirkung in Quelle Bsp: Teilchenphysik (0νßß) E 0 =2039 kev m ν =0.2 ev (90%CL.) 2σ 4.2σ Hinweis für m ee = 0.44 ev [ eV]?? HV Klapdor et al., Phys.Lett. B586 (2004) 198

27 KATRIN Sensitivität & ßß-Zerfall Sensitivitätsoptimierung: LoI (2001) Referenzdesign (2004) - - verbesserte Statistik: Quell-Luminosität, T 2 Reinheit - reduzierte Systematik: ß-Wechselwirkung in Quelle verbesserte Sensitivität Bsp: Teilchenphysik (0νßß) E 0 =2039 kev m ν =0.2 ev (90%CL.) 6.5σ 4.2σ Hinweis für m ee = 0.44 ev [ eV]?? HV Klapdor et al., Phys.Lett. B586 (2004) 198

28 KATRIN Kollaboration z.zt. 105 Mitglieder D-USA-UK-RU-CZ-BR 18 Institute neu 2005: MIT, UCL 41

29 KATRIN Zeitplan 2001 Gründung der KATRIN Kollaboration, LoI: hep-ex/ , BMBF Förderung Astroteilchenphysik 2002 Untergrundstudien, F&E Arbeiten 2003 Vorspektrometer, Auftag für erste große Magnetgruppe 2004 Begutachtung HGF Programm, Design Report 2004, Aufträge für Hauptspektrometer, WGTS & He-Verflüssiger, elektromagn. Tests Vorspektrometer Aufbau & Test der Hauptkomponenten (WGTS, Spektrometer, Transportelemente, Experimenthallen, )

30 KATRIN Spatenstich Transporthalle Spektrometerhalle 5. September 2005 Beginn der Bauarbeiten durch R. Maschuw

31 KATRIN Zeitplan 2001 Gründung der KATRIN Kollaboration, LoI: hep-ex/ BMBF Förderung Astroteilchenphysik 2002 Untergrundstudien, F&E Arbeiten 2003 Vorspektrometer, Auftag für erste große Magnetgruppe 2004 Begutachtung HGF Programm, Design Report 2004, Aufträge für Hauptspektrometer, WGTS & He-Verflüssiger, elektromagn. Tests Vorspektrometer Aufbau & Test der Hauptkomponenten (WGTS, Spektrometer, Transportelemente, Experimenthallen, ) 2008 Systemintegration & Inbetriebnahme von Systemabschnitten erste Test-Messungen Tritiumessungen

32 APS-Neutrinostudie Ausblick APS ν-roadmap für thegrowingexcitement of neutrino physics wichtige Fragestellungen für Zukunft: 1. what are the masses of the neutrinos? KATRIN - einziger modellunabhängiger ngiger Ansatz - Aufbauarbeiten schreiten zügig z voran