Astroteilchenphysik I

Transkript

1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2013/14 Vorlesung # 10, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Experimentelle Techniken - Abschirm-Methoden gegen externe Strahlung: aktiv & passiv - Zerfallsketten: die vier primordialen a-ketten - Radon KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Signal & Untergrund Suche nach seltenen Prozessen (0nßß, solare n s, CDM) erfordert - Signalrate: < 1 Ereignis / 100 kg pro Jahr - stringente Materialselektion (keine a,ß,g-emitter) ß - Reduktion von myon-induzierten Prozessen ß - Abschirmung ß-Emitter g-emitter a-emitter Spaltung Neutronen aus Myon- Reaktionen

3 Myonrate (Myonen/m 2 /Jahr) Untergrundlabore 10 6 Myonrate und Abschirmtiefe 10 5 Sandford flach WIPP Soudan LNGS Kamioka Baksan LSM - Myon- Abschirmung durch Fels 10 2 SNOLAB CJPL 10 1 DUSEL Homestake (tief) Tiefe (m Wasseräquivalent) Standardfels r = 2.65 g/cm

4 Suche nach Dunkler Materie Suche nach Dunkler Materie mit LXe in vier Untergrundlaboren XMASS (Kamioka) XENON100 (LNGS) LUX (Sanford) PANDAX (CJPL)

5 2.2.2 Abschirm-Methoden natürliche Radioaktivität im Gestein erzeugt: a-teilchen (3-7 MeV), ß-Elektronen ( MeV), Gammas (< 3.6 MeV) und Neutronen (MeV) Wieviel Abschirmung benötigt der Detektor? Cu

6 natürliche Radioaktivität - Gestein Wie viele Gammas strahlt die 600 m 2 Oberfläche eines Labors im Jahr ab? g Quartz A: N = 10 3 g s B: N = 10 7 g s C: N = g s D: N = g s

7 natürliche Radioaktivität - Gestein 5 cm Beispiel: Labor mit 600 m 2 Oberfläche: g s aus den ersten 5 cm der Wände 30 m 3 Gestein trägt zum g-untergrund bei - wichtiger g-strahler: 232 Th (Thorium-232) - mit Anteil 10-6 g(th) / g = 100 g Th 232 Th g mit t ½ ( 232 Th) = a erzeugt 1 g Th Gammas / Jahr 1300 Gammas / Sekunde Gamma-Raumuntergrund: N ~ Ereignisse / Jahr - höchstenergetische g s (2.6 MeV von 208 Tl) kommen aus der 238 U/ 232 Th Zerfallskette Wand Abschirmung des g-raumuntergrunds erforderlich

8 Absorptionskoeffizient µ (cm 2 /g) Abschirmwirkung von Blei benötigter Abschirmfaktor für ~1 MeV g s ~10 9 = 20 X 0 (X 0 : Strahlungslänge) Abschirmung aus massivem Blei () mit d = 0.45 m g L 2 L 1 L 3 K Kante Blei 232 Th Abschwächkoeffizient µ Absorption d =? 0.01 Paarbildung Quartz g-energie (MeV)

9 Blei-210 Untergrund Isotop -210 entsteht aus der 238 U-Zerfallskette mit t ½ ( 210 ) = 22 a Abschirmung erzeugt Untergrundsignal, dies muss abgeschirmt werden g Th d = 45 cm Quartz

10 Blei-210 Untergrund & römisches Blei Isotop -210 ist aus Blei-Ladungen von versunkenen römischen Galeeren zerfallen, da DT = 2000 y (Roman Lead) 210 Detektoren Taucher beim Bergen von römischem aus einer 2000 Jahre alten römischen Galeere für das INFN (CUORE Exp.) Römisches CUORE

11 natürliche Radioaktivität - Gestein innere Cu-Abschirmung im DAMA-Libra Experiment - Suche nach Dunkler Materie mit NaJ-Szintillatoren im LNGS g 232 Th Cu Quartz Cu

12 natürliche Radioaktivität - Gestein -Abschirmung & Cu-Kryostat im Heidelberg-Moskau Experiment - Suche nach 0nßß-Zerfällen mit 76 Ge-Dioden im LNGS g 232 Th Cu Quartz Cu

13 Myon-induzierte Radioaktivität - Gestein Myonen können durch tief-inelastische Streuprozesse im Gestein hochenergetische Neutronen erzeugen, die die Abschirmung durchdringen Myon g n Cu n

14 Moderation von Neutronen durch PE Zum Abbremsen von hochenergetischen Neutronen werden H-reiche Materialien benutzt (elastischer Stoß von Neutronen und Protonen) Myon Polyethylen (PE) g 2.2 MeV g p g PE Cu n D 2.2 MeV

15 Aufbau eines Vetozähler Anordnung der Szintillator-Module in einer 4p Geometrie um die Veto-Effizienz zu maximieren Myon PE

16 Aktive und passive Abschirmung Optimale Kombination von aktiver und passiver Abschirmung µ 232 Th g MeV g PE Cu

17 Aktive und passive Abschirmung Extrem untergrundarme Materialien für Astroteilchenphysik - Detektor, innere Cu-Abschirmung (elektrolytisch, OFC) ~100 nbq/kg für die Suche nach - dunkler Materie - 0nßß-Zerfall (Neutrino-Physik) e - Batterie e unreine Cu- Elektrode reine Cu- Elektrode Abfall Cu

18 Polyethylen Abschirmung Beispiel XENON100 -Abschirmung & Cu-Abschirmung im XENON100 Experiment - Suche nach WIMP-Streuprozessen mit Xe-TPC im LNGS PE H 2 O/Polyethylen untergrundarmes Cu Cu LXe- TPC PE Polyethylen

19 Untergrundreduktion XENON

20 Untergrundreduktion Grenze Solare Neutrinos: extrem kleine Wechselwirkungsrate - sind für aktuelle Suche nach seltenen Ereignissen mit Massen M ~ 100 kg keine relevante Untergrundquelle µ µ µ n e

21 Untergrundreduktion Grenze Solare Neutrinos: wie dick müsste -Abschirmung sein? - limitieren die Suche nach seltenen Prozessen bei Targetmassen > 10 t A: 10 2 km B: 10 8 km (1 AE) n e C: km (1 pc) D: km (100 pc)

22 2.2.3 Zerfallsketten Woher kommen die radioaktiven Isotope im Gestein? g a 232 Th 235 U 237 Np Quartz 238 U

23 natürliche Radioaktivität - Gestein Radioaktive schwere Elemente gebildet in Kernkollaps-SN-Explosionen - schwere (instabile) Elemente aus dem r-prozess bei SNae (vgl. ATP II) in solarem Nebel - Anreicherung in der Erdkruste SN Explosionen vor/nach Bildung des Sonnensystems 235,238 U, 232 Th, a 1.65:1 Anreicherung in Erdkruste 232 Th 235 U Erdkern 237 Np 238 U

24 Primordiale Zerfallsketten die vier primordialen Zerfallsketten - langlebige Mutterisotope: a 232 Th 237 Np 238 U 235 U - stabile End-Isotope: Bi Thorium-Reihe Neptunium-Reihe Uran-238-Reihe Aktiniden(U-235)-Reihe

25 Primordiale Zerfallsketten radioaktive Zerfallskette: durch den Zerfall eines Ausgangsisotops ( 235 U) werden radioaktive Tochterkerne erzeugt, die ihrerseits wieder zerfallen (Ende: stabiles Isotop) dn dt dn dt dn dt N N N N N 2 3 Zerfall Mutterkern Erzeugung Tochterkern & Zerfall Tochterkern säkulares Gleichgewicht: Aktivität A i aller Isotope der Kette ist identisch & die Häufigkeit N i der Isotope ist konstant 1 dn1 dn2 dn dt dt dt A A A N N 2 Aktiniden- Reihe N

26 Rate Zerfallskette von Uran Uranserie 238 U A = 4 j U Bi t ½ = a Ra Gammaspektrum von nat U 214 Bi 214 Bi 214 Bi 214 Bi 214 Bi E [MeV]

27 Radium-226: Entdeckung Radium Halbwertszeit t ½ = 1602 a - Entdeckung 1898 von Pierre & Marie Curie Nobelpreis für Chemie

28 Edelgas Radon-222 Radon-Emanation aus dem Boden trägt zu ~50% zur natürlichen Strahlenexposition bei medizinisches Röntgen 11% andere 1% intern 11% Kosmische Strahlung 8% Terrestrisch 8% Nuklearmedizin 4% Konsumerprod. 3% ~50 Bq/m 3 Rn

29 Edelgas Radon-222 Radon-Emanation aus 1 m 2 Boden ~ Rn-Atome/s = 0.5 pci Rn-222/s Boden: 1 pci Ra-226/g 1 m 2 Jährliche Emanation von Radon-222 aus dem gesamten Erdboden: Ci = 91 TBq

30 Edelgas Radon-222 Radon-Emanation in einem Untergrundlabor ( Ventilation) Experimente

31 Edelgas Radon-222 Radon-Emanation aus Detektorkomponenten stellt eine gefährliche Quelle von Untergrund dar Messung der Radon- Emanation im GERDA Kryostaten am LNGS

32 Edelgas Radon-220 Rn-220 aus Schweißnähten des Edelstahls: Untergrundquelle im KATRIN Spektrometer, da a-zerfall von Elektron-Emission begleitet 216 Po 220 Rn e- a

33 Edelgas Radon - Gegenmaßnahmen Radon-Emanation setzt Radon in das aktive Detektorvolumen frei, daher Gegenmaßnahmen: 1. kontinuierliche externe Belüftung / Abpumpen 2. passive Radon-Barriere - Bsp.: dünne Nylonballons im Borexino-Experiment (< 2 Radon-Zerfälle/Tag) 3. passive Radon-Kryofalle - Bsp.: Kupfer-Baffles im KATRIN-Experiment Rn-Atome frieren fest auf ln2-kalter Cu-Oberfläche (77K)

34 Zerfallsketten 237 Np Neptuniumserie 237 Np A = 4 j Np 209 Bi, t ½ = a Rauchmelder enthalten 241 Am 241 Am 241 Am 237 Np + a t ½ = a

35 Ionisations/Licht-Signal (kev) Untergrundreduktion Separation des Signals vom Untergrund durch 3 Techniken: äußere Abschirmung passiv: Cu, gegen g s PE gegen Neutronen aktiv: äußerer µ-veto Selbst-Abschirmung Beschränkung auf den innersten Bereich, keine Oberflächeneffekte fiducial volume Teilchendiskriminierung Ereignisparameter wie Ionisation, Szintillation Phononen: ideal zur Teilchendiskriminierung Cu fiducial volume Untergrund: Photonen und Elektronen Signal: Kernrückstöße Gesamtenergie (kev)