Messung der Masse des Elektronneutrinos

Transkript

1 Seminarvortrag Messung der Masse des Elektronneutrinos Philip Schneider

2 Entdeckungsgeschichte 2

3 Gliederung Neutrinophysik Mainzer Neutrinoexperiment Nachfolgeexperiment KATRIN 3

4 Neutrinos Gehören zu Leptonen Spin ½-Teilchen Elektrisch neutral Schwache Wechselwirkung 4

5 Interesse an der Neutrinomasse Widerspruch zum Standardmodell Neue Wege in der Teilchenphysik Kosmologie Dunkle Materie 5

6 Neutrinomasse Modellvorhersage Fluss solarer Elektronneutrinos Neutrinooszillationen (nur möglich mit massiven Neutrinos) Flavoureigenzustände (= Wechselwirkungszustände) sind darstellbar als Linearkombination von Masseneigenzuständen (beschreiben Masse der Neutrinos) 6

7 Neutrinomasse Neutrinooszillationsexperimente sind sensitiv auf Massenabstandsquadrat zweier Absolutmassen Massendifferenzen somit bekannt Neutrinos haben von Null verschiedene Masse Suche nach Absolutskala 7

8 Mainzer Neutrinoexperiment Messmethode Versuchsaufbau Beta-Quelle MAC-E-Filter Fehlerquellen Messergebnisse 8

9 Messmethode 9

10 Versuchsaufbau 10

11 Beta-Quelle Kondensierte Festkörperquelle aus Tritium (T=1.86 K) Endpunktsenergie von Spektrum skaliert mit Relevanter Bereich gut erkennbar Einfachst aufgebaute Elektronenhülle Halbwertszeit von 12.3 Jahren 11

12 MAC-E-Filter Magnetic Adiabatic Collimation combined wirth an Electrostatic Filter 12

13 MAC-E-Filter Führung der Elektronen auf Zyklotronbahnen um die Magnetfeldlinien Von starkem zu schwachem B-Feld wirkt Gradientkraft auf das magnetische Bahnmoment der Elektronen 13

14 MAC-E-Filter Beschleunigung parallel zu den Magnetfeldlinien Umwandlung von transversaler in longitudinale Energie In Analysierebene fast gesamte Energie der Elektronen in Vorwärtsrichtung 14

15 MAC-E-Filter Angelegtes Gegenfeld bremst Elektronen ab Elektronen mit genügend Energie können Retardierungspotential überwinden Beschleunigung auf Startenergie und magnetische Führung zum Detektor 15

16 MAC-E-Filter Adiabatisch: Änderung des Magnetfeldes pro Zyklotronumlauf klein Dann gilt in nicht-relativistischer Näherung Energieauflösung 16

17 MAC-E-Filter Variation des Retardierungspotentials von knapp unter bis beliebig über Maximalenergie Änderung der kleinen Quellspannung bei konstanter Retardierungsspannung : Beschleunigendes Potential an der Quelle : Konstante Analysierspannung des Spektrometers von V 17

18 Fehlerquellen Dominanz des systematischen Fehlers durch die Festkörperquelle: Inelastische Streuung der Elektronen innerhalb des Tritiumfilms Anregung von Nachbarmolekülen Selbstaufladung des Tritiumfilms Dominanz des statistischen Fehlers durch Unsicherheit aufgrund der Energieauflösung von 4.8 ev 18

19 Messergebnisse 19

20 Messergebnisse Zusammenführung der 6 ungestörten von insgesamt 12 Messungen ( ) Kombinierte Fitergebnisse liefern Obergrenze für die Elektronneutrinomasse 20

21 KATRIN 21

22 Versuchsaufbau Gesamtlänge etwa 70 m a Quellbereich b Pump- bzw. Transportsektion c Vor- und Hauptspektrometer d Detektorbereich Gesamtlänge etwa 70 m 22

23 Verbesserungen Kleinerer stat. Fehler durch bessere Energieauflösung von 1 ev Bessere Quellstärke Gasquelle vermeidet Systematik der Festkörperquelle Neue Limitierung durch Sekundärelektronen Abschirmdrahtelektroden 23

24 Erwartete Messergebnisse Sensitivität von Falls wahre Masse dann positives Signal mit Vertrauensbereich von 24

25 Zusammenfassung Besonderheit der Neutrinomassen Prinzip des MAC-E-Filter Fühester Messstart von KATRIN

26 Quellen C. Kraus, Dissertation, Universität Mainz, 2003 Ch. Weinheimer, The neutrino mass direct measurements, 2008 ( F. Schwamm, Dissertation, Universität Karlsruhe, 2004 Homepage KATRIN-Experiment ( Homepage Mainzer-Neutrinoexperiment ( ) wikipedia.org 26

27 Kinematik 27

28 Neutrinomasse Flavoureigenzustände = Wechselwirkungszustände sind Überlagerung von Masseneigenzuständen 28

29 Neutrinomasse Ruhemasse von Neutrinos Massendifferenzen bekannt Sudbury Neutrino Observatory Super-Kamiokande-Experiment 29

30 MAC-E-Filter Adiabatisch: Änderung des Magnetfeldes pro Zyklotronumlauf klein Dann gilt in nicht-relativistischen Näherung Energieauflösung 30

31 Anpassungsfunktion 31

32 Fehlerquellen Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit den Spektrometerwänden Penningartige Fallen Restgasionisation Sekundärelektronen können im Retardierungspotential zum Detektor hin beschleunigt werden 32