Neutrinophysik-Experimente

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1 Physik am Samstagmorgen 2007/2008 Schülertreffen am Max-Planck-Institut für Kernphysik 26. April 2008 Neutrinophysik-Experimente Der Kampf im Untergrund gegen den Untergrund W. Hampel Max-Planck-Institut für Kernphysik Heidelberg

2 Einfahrt in den Gran-Sasso-Tunnel in den Abruzzen (Italien) Untergrund: ein Ort unter Tage, z.b. eine Höhle, ein Bergwerk, ein Straßentunnel etc. bei physikalischen Messungen gibt es neben dem eigentlichen Mess-Signal, nach dem man sucht, meistens auch noch Störsignale, die man lieber nicht hätte, aber meistens nicht vermeiden kann. Diese Störsignale nennt der Physiker Untergrund oder auch Nulleffekt

3 Neutrino-Experimente des MPIK Sonnenneutrino-Experiment GALLEX/GNO Status: abgeschlossen (Datennahme ) A B Sonnenneutrino-Experiment BOREXINO Status: läuft (Messbeginn Mai 2007) A B Doppel-Betazerfall-Experiment GERDA Status: im Aufbau (Messbeginn voraussichtlich 2009) B Reaktorneutrino-Experiment Double Chooz Status: im Aufbau (Messbeginn voraussichtlich 2009 ) B Motivation A Astrophysik (Sonne) B Neutrinophysik (Eigenschaften der Neutrinos)

4 Elementarteilchen: p n e - e + Proton Neutron Elektron Positron Bestandteile der Atomkerne Bilden die Elektronenhülle der Atome Antiteilchen des Elektrons (Anti-Elektron) µ - Myon µ + Anti-Myon werden in der Erdatmosphäre durch die Kosmische Strahlung produziert, haben ähnliche Eigenschaften wie die Elektronen, sind jedoch ~ 200 mal schwerer γ ν ν Photon Neutrino Anti-Neutrino Elektromagnetische Strahlung (u.a. Radiowellen, Infrarot-Strahlung, sichtbares Licht, UV-Strahlung, Röntgen-Strahlung, Gamma-Strahlung) Energien der Elementarteilchen: in unserem Fall im Bereich Kilo-Elektronenvolt (kev) bis einige Mega- Elektronenvolt (MeV). Zum Vergleich: Ruhemasse eines Elektrons: 511 kev (nach E=m c 2)

5 Nachweis-Reaktionen unserer Neutrino-Experimente GALLEX/GNO Borexino ν + 71 Ga 71 Ge + e - Ge-Extraktion, Zählrohrfüllen 71 Ge + e - 71 Ga + ν 71 Ga 71 Ga + e - + γ ν + e - ν + e - Double Chooz GERDA n Ga 158 Gd + 3γ ν + p e + + n e + + e - 2γ 76 Ge 76 As + ν + e - 76 As + ν 76 Se + e - die jeweils nachzuweisenden Teilchen

6 Erwartete Ereignisraten in den Neutrino-Experimenten des MPIK Menge Detektor- Material pro Tag in einer Tonne pro Jahr in einem Kilogramm GALLEX/GNO 105 t BOREXINO 100 t GERDA 40 kg Double Chooz 8.2 t zum Vergleich Kalium im Menschen 75 kg 6.7 Milliarden 2.5 Milliarden in 75 kg Zerfälle pro Sekunde!

7 Wir benutzen zwei verschiedene Messprinzipien: Geladene Teilchen (z.b. Elektronen) durchqueren Materie produzieren durch Energieabgabe an das Medium Elektronen- Ionenpaare Sammeln von Elektronen und Ionen mit Hilfe einer angelegten Hochspannung Messen der gesammelten Ladungswolke (Zählrohr, Halbleiterdetektor) GALLEX/GNO, GERDA In manchen Stoffen: Energieabgabe durch geladene Teilchen produziert angeregte Zustände, die sich durch Lichtemission abregen (Szintillationslicht) Messen des Lichtes mit Lichtdetektoren (Photomultiplier) Borexino, Double Chooz

8 In jedem Fall: nachzuweisende Teilchen sind Elektronen (e - ) und Photonen (γ) im Energiebereich von 1 kev bis zu einigen MeV diese sind in der Physik Wald- und Wiesen-Teilchen, d.h. sie kommen überall und in großer Intensität vor! sie bilden den Hauptuntergrund bei unseren Neutrino-Experimenten

9 Kosmische Strahlung p,α + N,O Höhe [km] Druck [hpa] Elektronen Neutronen Myonen Photonen Protonen Pionen werden schon durch wenige Meter Gestein absorbiert können (abhängig von ihrer Energie) bis zu mehrere Kilometer tief ins Gestein vordringen

10 Reaktionen von Sonnenneutrinos mit Gallium Mess-Signal: ν e + 71 Ga 71 Ge + e - Reaktionen von sekundären Protonen der Kosmischen Strahlung mit Gallium Untergrund: p + 71 Ga 71 Ge + n Extraktion von wenigen Ge-Atomen aus 105 Tonnen Gallium- Chlorid-Lösung Nachweis einzelner 71 Ge-Atome durch Messung ihres radioaktiven Zerfalls (11,4 Tage Halbwertszeit) 71 Ge 71 Ga + Elektronen + Röntgenstrahlung

11 Das Gran-Sasso-Untergrundlabor

12 71 Ge-Produktionsrate in 105 Tonnen GaCl 3 -Lösung als Funktion der Tiefe durch kosmische Strahlung: Meereshöhe ~ Ge-Atome pro Tag Gran-Sasso-Labor ~ Ge-Atome pro Tag Faktor: 1 Million! durch Sonnenneutrinos: ~1 71 Ge-Atom pro Tag

13 Umgebungs-Radioaktivität (1) Natürliche Radioaktivität: 40 K, 238 U und 232 Th mit Tochternukliden 238 U-Reihe 8 α-zerfälle 6 β-zerfälle 232 Th-Reihe 6 α-zerfälle 4 β-zerfälle (2) Künstliche Radioaktivität: 137 Cs, 85 Kr, 60 Co

14 GALLEX/GNO-Proportional-Zählrohr Normales Zählrohr: ~ 3 Pulse / Minute GALLEX/GNO Zählrohr: ~ 1 Puls / 3 Wochen Faktor ! Extrem reine Baumaterialien Abschirmung durch dicke Blei- u. Kupferwände Mess-System 1300 m unter Tage Aufwändige Mess- Elektronik

15 GERDA Experiment zur Suche nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall 76 Ge 76 As + ν + e - 76 As + ν 76 Se + e - Summenenergie der beiden Elektronen: 2039 kev Aufgabe: Suche nach einer Linie bei 2039 kev mit einem Ge- Detektor, der (möglichst viel) 76 Ge enthält Natürliches Germanium: 76 Ge 7.8%

16 Aufbau eines Germanium-γ-Spektrometers Germanium-Kristall Verstärker Kühlfinger HV PC Thermos-Kanne (Dewar) Flüssiger Stickstoff (-196 o C)

17 Wirkungsweise eines Germanium-γ-Spektrometers Photon γ Germanium-Kristall Übertragung der Energie des Photons auf ein Elektron im relevanten Energiebereich (kev bis zu einigen MeV): Elektron Elektron Loch Hochspannung (HV) 2 Effekte: Photoeffekt: ein Photon überträgt praktisch seine gesamte Energie in einem Stoß auf ein Elektron. Comptoneffekt: ein Photon stößt mit einem freien Elektron zusammen. Hierbei kann es aus Energie- und Impulserhaltungsgründen nur einen Teil seiner Energie bis zu einer Maximalenergie (Compton-Kante) auf das Elektron übertragen.

18 Der radioaktive Zerfall von 137 Cs und 40 K 137 Cs K-Elektron- Einfang 40 K 95% β β 5% γ (662 kev) γ (1461 kev) 90% 10% β 137 Ba 40 Ar 40 Ca

19 Histogramm: γ-spektrum von 137 Cs Αnzahl der Ereignisse pro Energieintervall (1keV) γ-linie bei 662 kev Comptonkante 478 kev γ Energie [kev] aufgeteilt in Intervalle von 1 kev

20 Untergrundmessung mit dem hier aufgebauten Test-Ge-Detektor (162 g) ohne Abschirmung Ergebnis: Ereignisse/Jahr kg kev Benötigt bei GERDA: Ereignisse/Jahr kg kev } Faktor 60 Millionen Messzeit d 1452 Ereignisse 80 kev 2039 kev

21 Vergleich: Untergrundspektren verschiedener Ge-γ- Detektoren in verschiedenen Abschirmungen Zählrate Countrate [counts/d kg kev] [cts/d/kg/kev] ,1 0,01 keine Abschirmung DARIO ohne Veto DARIO mit Veto GeMPI 0, Energie Energy [kev]

22 GERDA Experiment zur Suche nach dem neutrinolosen doppelten Betazerfall

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