KOINZIDENZANALYSE DER 0νββ-ZERFÄLLE BEI COBRA

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1 Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften Institut für Kern- und Teilchenphysik KOINZIDENZANALYSE DER 0νββ-ZERFÄLLE BEI COBRA Cadmium-Zinc-Telluride 0-neutrino double Beta Research Apparatus Marcel Heine Dresden,

2 Inhalt Motivation Neutrinos Doppelbeta-Zerfall Das COBRA-Experiment CdZnTe Koinzidenzanalyse Untergrund-Simulation Nachweiseffizienzen der Doppelbeta-Zerfälle Ergebnisse Ausblick TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 2 von 18

3 Das Wichtigste zu Neutrinos 1958 Goldhaber: Helizität H(ν) = Davis: nur ca. 30% der solaren Neutrinos nachgewiesen solares Neutrinoproblem 2001 SNO, Nachweis: Neutrinooszillation m ν 0 Suche nach der Masse der Neutrinos Oszillationsexperimente ( m 2 ) Beta-Zerfall (m νe < 2 2 ev) neutrinoloser Doppelbeta-Zerfall TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 3 von 18

4 Der neutrinolose doppelte Beta-Zerfall (A Z) (A Z + 2)+2e ; L = 2 (I) : n 1 p 1 + e + ν e (II) : ν e + n 2 p 2 + e Voraussetzungen: Racah sequence 1. Neutrino ist Majorana-Teilchen ( ν ν) 2. Helizitätsanpassung notwendig Neutrinomasse durch Messung der Halbwertszeit TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 4 von 18

5 CdZnTe als Detektor intrinsischer Halbleiter hochohmig: R spez = Ωcm bei T = 293 K keine Kühlung notwendig Coplanar-Grid-Technik zur Auslese der insgesamt deponierten Energie (Kalorimeter) Auflösung: 4 0% FWHM@662 kev 1 cm 3!! TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 5 von 18

6 CdZnTe als Quelle z.b. 116 Cd,... einen Zerfall pro Jahr sehen ( 116 Cd 116 Sn+2e ) mit: T 1»2 26 a 350 kg CdZnTe nicht betrachtet: 1. Nachweiseffizienz 2. Untergrundereignisse (primordiale Nuklide ( 232 Th, 238 U,... ): T 1»2 = O( 9 ) a) Zerfallsrate: λ 0ν Q 5 Isotop nat. Häuf. (%) Q (kev) 6 Cd 1, Cd 0, Cd 28, Cd 7, Zn 48, Zn 0, Te 0, Te 31, Te 33, TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 6 von 18

7 Koinzidente Energieeinträge modulares Array (A Z) (A Z + 2) + 2e 2805 kev 116 Cd 116 In β β kev 1757 kev kev Sn TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 7 von 18

8 Das 0νββ- und das 2νββ-Spektrum m Det 0g 116 Cd : λ »a keine weiteren Ereignisse!! radioaktiver Untergrund: Radioisotope aus kosmischer Strahlung Radionuklide aus der Umgebung ( 238 U, 232 Th, 40 K, 137 Cs,... ) Neutronen induziert durch 238 U-, 232 Th- Reihen und Myonen Radon-Zerfallsreihe. TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 8 von 18

9 Messung: Einzelspektrum aller Detektoren TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 9 von 18

10 Grenzen für die Halbwertszeiten Messwert/Zählrate (n): radioaktiver Untergrund (b) + Doppelbeta-Zerfall (s) T1»2 0ν = ε m Dett exp aln 2 N A s M Det Feldman-Cousins: obere Grenze für s aus n und b untere Grenze für T 0ν 1»2 1. Pseudospektrum aus MC-Simulation: b s 2. Nachweiseffizienz ε n = b+s mit b s TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie von 18

11 1. Simulation der Untergrundzerfälle Untergrundzerfälle/zerfallsreihen im Array: Luft: Radon ( 222 Rn, 220 Rn) Lack: 238 U, 232 Th, 40 K; (O(1 Bq/kg)) in Simulation zu beachten: Diffusion des 222 Rn der 238 U-Reihe aus dem Lack Adhäsion der Radon-Folgeprodukte an Oberfächen im Array TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 11 von 18

12 Spektren der diversen Volumina events / (kev kg d) Einfluss der unterschiedlichen Spektren simulated chains and isotopes paint events: U ch 222 Rn, Th ch, U ch, K!! 222 paint events: Rn ch on_paint events: Po ch from airborne Rn on_paint events: Po ch from paint Rn on_cathode events: Po ch from airborne Rn on_cathode events: Po ch from paint Rn 222 Rn from the air E / kev TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 12 von 18

13 Einzelenergiespektrum der farbigen Kristalle Pseudospektrum Anpassung der simulierten Zerfälle an das experimentelle Spektrum: entries/(kev kg d) Bi Einzeldetektor Spektrum simulierte Untergrundereignisse experimentelle Daten E / kev TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 13 von 18

14 Korrelation zweier Energieeintra ge Entries Nachweiseffizienz des Doppelbeta-Zerfalls E dep = E 1 + E 2 E 1 > E Cd 116 Sn + 2e ; E = 1294 kev E 2e = 1511 kev E γ = 1294 kev / kev E Korrelation zweier deponierter Energien E1 +E 2 =konst. 1. Zwei Detektor Ereignisse 2. Klassifizierung nach insgesamt deponierter Energie E dep 3. Parametrisierung nach Verhältnis der deponierten Einzelenergien E 2»E E 2e E dep = E 2e + E γ E 2 / kev TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 14 von 18

15 signal Festlegung der cuts E dep = E 1 + E 2 E 1 > E 2 Kriterien: # Detektoren Gesamtenergie Energieverhältnis Effizienz ε Zählrate b im Pseudospektrum N/ N ges Cd Zerfall Untergrundereignisse 0.07 sim Unt Z Halbwertszeit T 1» E 2 / E 1 TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 15 von 18

16 Verschiedene Analysen desselben Experimentes Einzeldetektor-Analyse: ausschließlich auf e -Energie geschnitten Einzel.-A Koinz.-A Zerfall E (kev) ε (%) T 1»2 (a) ε (%) T 1»2 (a) 128 Te 443 1,19 > Te ,2 > Te ,7 > Te ,0 > Cd ,4 > Cd ,5 > Cd ,2 > Cd ,2 > Cd ,1 > TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 16 von 18

17 Verschiedene Analysen desselben Experimentes Einzeldetektor-Analyse: ausschließlich auf e -Energie geschnitten Einzel.-A Koinz.-A Zerfall E (kev) ε (%) T 1»2 (a) ε (%) T 1»2 (a) 128 Te 443 1,19 > Te ,2 > ,55 > Te ,7 > ,87 > Te ,0 > ,79 > Cd ,4 > ,18 > Cd ,5 > ,83 > Cd ,2 > ,94 > Cd ,2 > ,21 > Cd ,1 > ,22 > TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 16 von 18

18 Ausblick + 64-Detektor Array + Szintillator-Umfassung + Anreicherung von vorteilhaften DB-Isotopen Stickstoff-Spülung sauberer Lack + Myon-Veto + Pixelierte Detektoren TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 17 von 18

19 Ich bedanke mich für Ihre Aufmerksamkeit!... und für Tipps... Geduld... Verpflegung... und speziell bei den Admins!! TU Dresden, Koinzidenzanalyse bei COBRA Folie 18 von 18