Astroteilchenphysik I

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1 Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 09, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik Experimentelle Techniken - Suche nach seltenen Ereignissen - Reaktionsraten - Untergrundprozesse: a-, ß-, g-zerfälle - Quellaktivität: natürliche Quellen - Untergrundlabore: LNGS KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Gammaquellen & Erzeugungsmechanismen Erzeugung von hochenergetischen Gammas: zwei grundlegende Erzeugungsmechanismen ( LEP vs. LHC ) dichte Molekülwolke Schockwelle hadronisch heißes Gas Supernova- Überrest g + e - g + e - p 0 -Zerfall p 0 g + g Inverse Compton- Streuung leptonisch UHE-Gammaquellen: SN-Schocks, Pulsarwindnebel, diffuse Strahlung, AGNs (aktive Galaxien),

3 Astroteilchenphysik aktuell

4 Astroteilchenphysik aktuell

5 Astroteilchenphysik aktuell

6 Astroteilchenphysik aktuell SoSe 16: ATP-II Sterne & Teilchen

7 2.2 Suche nach seltenen Ereignissen Suche nach seltenen Ereignissen: Signalrate: ~ 1 Ereignis in einem Detektor (100 kg 1 t) pro Jahr Untergrundrate: < 1 Ereignis/Jahr (sollte kleiner als Signalrate sein) ß g ß Rate: > Ereignisse/Jahr Signal Untergrund

8 Ereignisse Seltene Ereignisse Signal Suche nach 0nßß-Signal - Elektronenpaar mit Energie E = 2 MeV (0nßß-Peak) - punktförmige Wechselwirkung ß 2nßß ß Energie (MeV) 0nßß Weakly Interacting Massive Particle Suche nach WIMP Streuereignissen - Signal durch Kernrückstoß mit Energie E < 100 kev - punktförmig

9 Ereignisse Seltene Ereignisse Untergrund Untergrund für 0nßß-Signal - Störsignale durch Gamma-Photolinien & Compton-Kontinuum von radioaktiven Elementen Energie (MeV) Suche nach WIMP Streuereignissen - Störsignale durch Röntgen-Photonen, Compton-Elektronen & Neutronen

10 Seltene Ereignisse das Target Berechnung der Anzahl seltener Ereignissen: Targetmasse gibt die Anzahl der Targetkerne vor Targetmaterial mit - Dichte r [g/cm 3 ] - Atommasse M A [u] + Avogadrozahl N A Targetkerne pro Einheitsvolumen [cm -3 ] n N / M Target r A A n Target

11 Seltene Ereignisse einfallender Strahl Berechnung der Anzahl seltener Ereignissen: Berechnung der Flussdichte J einfallender Teilchenstrahl mit - Geschwindigkeit v i [cm/s] - Anzahldichte n Strahl [cm -3 ] Flussdichte J [cm -2 s -1 ] J n Strahl v i WIMP Wind v i v i /cm² /s v i

12 Seltene Ereignisse Fluss & Target Berechnung der Anzahl seltener Ereignissen: Intensität I & Targetkerne im Strahl N Target einfallender Teilchenstrahl mit - Geschwindigkeit v i [cm/s] - Anzahldichte n Strahl [cm -3 ] - Querschnitt F [cm 2 ] Flussdichte J [cm -2 s -1 ] J n Strahl v i Intensität (Fluss) I [s -1 ] I J F F n Strahl v i Fläche F Geschwindigkeit v i Länge l Dichte r Targetmaterial mit - Dichte r [g/cm 3 ] - Atommasse M A [u] - Länge l [cm] + Avogadrozahl N A Targetkerne pro Einheitsvolumen [cm -3 ] n N / M Target r A A Targetkerne im Strahl N Target n Target F

13 Anzahl der Streu-Ereignisse Rate W r an Steuereignissen / s ~ totalem Wirkungsquerschnitt s tot W r = J N Target s tot = I n Target l s tot Rate: [ s -1 ] Strahl: Flussdichte (Stromdichte) [ cm -2 s -1 ] Strahl: Intensität [ s -1 ] Target: Kerne im Strahl [ # ] totaler Wirkungs- Querschnitt: [ cm 2 ] Target: Kerne pro cm 3 [ cm -3 ] Länge [ cm ] totaler Wirkungs- Querschnitt: [ cm 2 ]

14 Wirkungsquerschnitt Rate W r an Steuereignissen / s ~ totalem Wirkungsquerschnitt s tot Einheit des Wirkungsquerschnitts s tot : 1 barn = 1 b = cm 2 1 mb = cm 2 [ barn = Scheunentor ] Astroteilchenphysik: 1 pb = cm pb = cm 2 Projektil r R R = 1.2 fm A 1/3 s tot stellt eine effektive Fläche dar für Streuprozessse geometrischer Streuquerschnitt: s geom = p (R 2 + r 2 )

15 Statistische Fluktuationen statistische Fluktuationen bei seltenen Ereignissen: Signal + Untergrund sind stochastisch & unterliegen Poisson-/Gauß- Fluktuationen, im Idealfall: untergrundfreies Experiment - beobachtete Ereignisse: ß ß 2p s Gaußverteilung Dichtefunktion (probability density function) 1 exp 2 2 x 2 s 2 Konfidenzintervalle - häufig 90% CL (95% CL) für Ausschlußgrenze

16 Evidenzen statistische Fluktuationen bei seltenen Ereignissen: für die Entdeckung (Evidenz) eines neuen Phänomens wird i.a. eine Signifikanz > 5.0 s gefordert 0nßß-Signalpeak(?) mit Untergrund ß? ß 4s 2s 3s

17 Elektroneneinfang Untergrundprozesse Suche nach seltenen Ereignissen: Untergrundquellen entstehen durch natürliche Radioaktivität (a,ß,g, Spaltung) & kosmische Strahlung (Myonen) Zerfallsarten von Kernen primäre CR µ Myonen

18 Untergrundprozesse Suche nach seltenen Ereignissen: generische Untergrundraten durch natürliche Radioaktivität (a,ß,g, Spaltung) natürl. Raumuntergrund Untergrund-Rate: Ereignisse/kg/s Ereignisse/kg/Tag kosmischer Untergrund Untergrund-Rate: Ereignisse/kg/s Ereignisse/kg/Tag Ziel: Ereignisse/kg/Tag in Signalregion

19 Protonen natürliche Radioaktivität instabile Kerne Untergrund durch a,ß,g-zerfall bzw. Spaltung ß + stabil ß - a f 92 U Nuklidkarte mit instabilen Kernen Neutronen

20 natürliche Radioaktivität - intrinsisch intrinsische Untergrundquellen aus dem Detektor: ß ß-Emitter a g g-emitter a-emitter n Spaltung f µ µ-reaktion: Neutron

21 Untergrundquellen: a-zerfall a-zerfall: a-teilchen ist stark ionisierend, extrem kurze (µm) a-reichweite - langsamster a-zerfall: 232 Th 228 Ra + a t ½ = a E = 3.9 MeV - schnellster a-zerfall: 212 Po 208 Pb + a t ½ = s E = 8.95 MeV schwerer Kern a E kin (a) 7.69 MeV E kin (Tochterkern) 214 Po a-spuren ( 214 Po) Po-Quelle a-zerfall-untergrund: - intern: oft a-zerfallsreihen Punktwechselwirkung - extern: a-teilchen stoppt an der Oberfläche

22 rel. Rate Untergrundquellen: ß-Zerfall ß-Zerfall: ß-Elektronen werden nach kurzer Strecke (mm) absorbiert 3 Zerfallsarten, oft zu angeregten Endzuständen mit g-zerfall ß-Emitter ß Zerfall Kernstruktur ß- Neutronen-reich ß+ Protonen-reich EC Protonen-reich Isotop E 0 [kev] t ½ [a] 3 H C Sr Tc kinet. Energie Elektron E

23 rel. Rate Untergrundquellen: g-zerfall g-zerfall: Gammas werden nur exponentiell abgeschwächt (cm) & können mehrfach streuen (multi-compton-ereignisse) g e - e - q=0 q=180 e - Elektron Compton- Kontinuum E g Comptonkante Energie Gamma gestreutes Gamma

24 Absorptionskoeffizient (/cm) Untergrundquellen: g-zerfall g-zerfall: Gamma-Untergrund für Suche nach DM und 0nßß unterschiedlich Dunkle Materie (< 30 kev) 0nßß (2-3 MeV) g Compton Paar- Erzeugung Total Photoeffekt Gamma-Energie (ev)

25 natürliche Radioaktivität - Umgebung externe Untergrundquellen aus den Laborwänden & Gestein: geladene (e ±, a, p) & neutrale (g, n) Teilchen ß g a n Quartz µ Quartz

26 Materialien: Anteile an Uran und Thorium Material Material Häufigkeit Gestein 232 Th ~10-6 g/g 238 U ~10-6 g/g 235 U ~10-8 g/g Stahl 232 Th ~10-9 g/g

27 natürliche Radioaktivität - Quellaktivität a Aktivität A(t) = dn/dt - beschreibt die Zahl dn der Zerfälle pro Zeiteinheit dt - ist keine konstante Größe, da Ensemblezahl N durch die Zerfälle abnimmt, damit nimmt auch A ab - Aktivität A ~ (Zerfallskonstante) A dn dt N A( t) A(0) e t mit der Relation A(t) = N(t) die Aktivität einer Quelle nimmt exponentiell ab 1 Bequerel = 1 Zerfall/s 1 Bq = Ci (nach Henri Becquerel) 1 Curie = Zerfälle/s 1 Ci = Aktivität 1 g Radium ( 226 Ra) (nach Pierre Curie)

28 natürliche Radioaktivität - Quellaktivität abgeleitete Größen: - spezifische Aktivität [Bq/kg] - Aktivitätskonzentration [Bq/m 3 ] - Beispiele: 3 H = Bq/g a 133 Xe = Bq/g 14 C = Bq/g nat U = Bq/g

29 künstliche Eichquellen _ Ce-SOX: Ce-144 n e -Quelle mit A = 100 kci Cr-SOX: Cr-51 n e -Quelle mit A = 5-10 Mci Ziel: Suche nach n-oszillationen mit hohem Dm 2 Quelle - Laborquellen/Praktikum: A = µci - mci

30 natürliche Radioaktivität - Mensch Mit welcher Aktivität A strahlt ein durchschnittlicher Mensch (M = 70 kg)? 15 Bq pro Banane Banana Equivalent Dose (BES): 1 BED = 0.1 µsv A: nicht nachweisbar B: A = 10 Bq C: A = Bq D: A = Bq

31 natürliche Radioaktivität Kalium-40 menschlicher Körper enthält Kalium (= Mineralstoff) - K-Anteil = 2 g Kalium/ kg, d.h. in typ. Körper ~ 150 g - K-40-Isotopenanteil = 0.012%, d.h. in typ. Körper ~ 15 mg instabiles Isotop t ½ = a zerfällt unter 3 Arten: ß-/ß+ Zerfall & Elektroneinfang (EC) 40 K 40 Ar + e + + n e K-Einfang (EC) 40 K + e - 40 Ar + g + n e K-40 ß - Zerfall 40 K 40 Ca + e - + n e g E g = 1.33 MeV E max = 1.33 MeV ß Ar-40 Ca

32 natürliche Radioaktivität - Mensch Gesamtaktivität menschlicher Körper: A ~ Bq (K-40, C-14) K-40 ß K-40 Kalium

33 natürliche Radioaktivität - Mensch Gesamtaktivität menschlicher Körper: A ~ Bq (K-40, C-14) C

34 natürliche Radioaktivität - Mensch Gesamtaktivität menschlicher Körper: A ~ Bq (K-40, C-14)

35 Untergrundreduktion Untergrundreduktion durch Benutzung von Untergrundlaboren, aktive/passive Abschirmungen sowie stringente Materialselektion - Reinraumbedingungen - extrem reine Materialien - Trennung des Detektors von Elektronik, Kühlung, - Untergrundlabore - passive Abschirmungen - aktive Vetozähler - Eigenabschirmung

36 Untergrundlabore weltweit Untergrundlabore: Charakterisierung durch ihre Tiefe in m.w.e. m.w.e. = meter water quivalent (Gesteins-Tiefe äquivalent als Wassersäule) Sanford: 4300 m.w.e. SNOLAB: 6000 m.w.e. Soudan: 2000 m.w.e. Boulby: 3500 m.w.e. Modane: 4800 m.w.e. LNGS: 4800 m.w.e. Kamioka: 2700 m.w.e. Canfranc: 2500 m.w.e. Jinping: 6500 m.w.e

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

38 Myonrate (Myonen/m 2 /Jahr) CJPL in Jinping (China) Myonrate und Abschirmtiefe CDEX- Texono low-level Tests PANDAX CJPL Tiefe (m Wasseräquivalent) CJPL: tiefstes Untergrundlabor weltweit (2013)

39 Myonrate (Myonen/m 2 /Jahr) SNOLAB in Sudbury/Ontario (Kanada) 10 6 Myonrate und Abschirmtiefe 10 5 Sudbury, Ontario (Kanada) Tiefe (m Wasseräquivalent)

40 SNOLAB Experimente Solare Neutrinos (SNO), 0nßß (SNO+), Dunkle Materie (DEAP, CLEAN, COUPP, )

41 Sandford Lab in Lead, North Dakota (USA) Yates Schacht Ross Schacht Oro Hondo Schacht LBNE Flüssig-Argon n-oszillationen LUX Flüssig-Xenon Dunkle Materie DIANA Nukleare Astrophysik MAJORANA- Demonstrator 0nßß-Suche Multifunktions- Labor FAARM- Low-level Messungen Reinraum- Cu-Elektrolyse Low-level Untergrund- Messlabor LBNE Flüssig-Argon n-oszillationen

42 Postdocs im Sandford Lab (4300 m.w.e.)

43 Europäische Untergrundlabore Vergleich von Untergrundlaboren in Europa (ILIAS Studie der EU): Abschirmung gegen kosmische Myonen IUS - Boulby: Whitby, NO England 3500 mwe CUPP Pyhäsalmi, Finnland 4000 mwe LSC - Canfranc: El Tobazo, Pyrenäen 2500 mwe LSM - Modane Frejus-Tunnel (F-I) 4800 mwe LNGS Gran Sasso, Appennin 3500 mwe

44 Myonrate (Myonen/m 2 /Jahr) Untergrundlabore: Gran Sasso 10 6 Myonrate und Abschirmtiefe Gran Sasso,Italien Tiefe (m Wasseräquivalent)

45 Untergrundlabore: Gran Sasso LNGS: größtes Untergrundlabor weltweit mit einer Fläche A = m 2 unterteilt in 3 große Experimentierhallen (A,B,C), Myonrate: m 2 /s Dunkle Materie Doppelbetazerfall Neutrinos Rom CRESST CUORE OPERA GERDA Dark Side XENON100 Borexino XENON100 Adria BOREXINO

46 LNGS: virtuelle Google Tour

47 LNGS: XENON1T LNGS: Einweihung des XENON1T Detektors (LXe) zur Suche nach WIMP-Wechselwirkungen (vgl. VL 15) XENON1T

48 Dunkle Materie 0nßß