Bestimmung der Neutrino-Masse: Heidelberg Moskau Experiment und KATRIN

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1 Bestimmung der Neutrino-Masse: Heidelberg Moskau Experiment und KATRIN Emil Pavlov Emil Pavlov 1 / 38

2 Inhaltsverzeichnis 1 2 Teilchenphysik Astrophysik β-zerfall Emil Pavlov 2 / 38

3 Neutrinooszilationen Hinweise auf massive Neutrinos m ev Emil Pavlov 3 / 38

4 Keine absolute Skala Emil Pavlov 4 / 38

5 Keine absolute Skala Massenhierarchie Emil Pavlov 5 / 38

6 Keine absolute Skala Massenhierarchie Emil Pavlov 6 / 38

7 Teilchenphysik Teilchenphysik Astrophysik β-zerfall Im Standard Model - keine Masse Einzige Fermionen mit unbekannte Masse Überprüfung von Modelle Emil Pavlov 7 / 38

8 Astrophysik Teilchenphysik Astrophysik β-zerfall Kandidat für Hot Dark Matter (HDM) Evolution von Large Scale Structures (LSS) Emil Pavlov 8 / 38

9 Astrophysik Teilchenphysik Astrophysik β-zerfall Kandidat für Hot Dark Matter (HDM) Evolution von Large Scale Structures (LSS) Emil Pavlov 8 / 38

10 β-zerfall Teilchenphysik Astrophysik β-zerfall n p + e + ν e unterbestimmtes Problem 3 Tochterteilchen 2 Erhaltungsgröÿe Emil Pavlov 9 / 38

11 β-zerfall Teilchenphysik Astrophysik β-zerfall n p + e + ν e unterbestimmtes Problem 3 Tochterteilchen 2 Erhaltungsgröÿe kontinuerlisches Spektrum Emil Pavlov 9 / 38

12 Teilchenphysik Astrophysik β-zerfall Methode zur Bestimmung der Neutrinolose Doppeltbetazerfall () Normale Beta-Zerfall (KATRIN) Emil Pavlov 10 / 38

13 ββ2ν-zerfall 2n 2p + 2e + 2 ν e lange Lebensdauer a Emil Pavlov 11 / 38

14 ββ2ν-zerfall 2n 2p + 2e + 2 ν e lange Lebensdauer a kontinuerlisches Spektrum Emil Pavlov 11 / 38

15 ββ0ν-zerfall 2n 2p + 2e + 0 ν e Neutrino indentisch mit anti-neutrino - Majorana Typ Emil Pavlov 12 / 38

16 ββ0ν-zerfall 2n 2p + 2e + 0 ν e Neutrino indentisch mit anti-neutrino - Majorana Typ Peak bei Endpunktenergie Emil Pavlov 12 / 38

17 Helizität h = S p p Antineutrinos - rechtshändig, Neutrinos - linkshändig Emil Pavlov 13 / 38

18 Helizität h = S p p Antineutrinos - rechtshändig, Neutrinos - linkshändig Γ m 2 ν Emil Pavlov 13 / 38

19 Resultate Endpunktenergie von 76 Ge = 2039 kev ev Bild: H. V. KLAPDOR- KLEINGROTHAUS and I. V. KRIVOSHEIN, Modern Physics Letters A, Vol. 21, No. 20 (2006) 1547 Emil Pavlov 14 / 38

20 Kinematik des β-zerfalls Absolute Bestimmung der Masse Einfache Kinematik - Energieerhaltung Modelunabhängig Emil Pavlov 15 / 38

21 Energiespektrum dn e p e (E e + m e c 2) (E 0 E e ) (E 0 E e ) 2 mν 2 de c 4 e Emil Pavlov 16 / 38

22 Vorherige Experiment Emil Pavlov 17 / 38

23 Emil Pavlov 18 / 38

24 Emil Pavlov 18 / 38

25 Emil Pavlov 18 / 38

26 Emil Pavlov 18 / 38

27 Emil Pavlov 18 / 38

28 Radioaktive quelle Tritium: groÿe Aktivität (Lebensdauer 12,3 a) niedrige Endpunktenergie ( 18, 6 kev) Spiegelkerne Emil Pavlov 19 / 38

29 Radioaktive Quelle Temperatur 27 K ± 3 mk Isotropenreinheit > 95% Molekulen/s ±0, 1% (40 g T 2 /Tag) p = 10 6 mbar Emil Pavlov 20 / 38

30 Dierential Pumping Section Reduzierungsfaktor 10 7 Emil Pavlov 21 / 38

31 Cryogenic Pumping Section Reduzierungsfaktor 10 7 Emil Pavlov 22 / 38

32 MAC-E Filter µ = p2 2m e B = const E = B min B max E = 0, 93 ev Emil Pavlov 23 / 38

33 MAC-E Filter µ = p2 2m e B = const E = B min B max E = 0, 93 ev Emil Pavlov 23 / 38

34 Magnetischer Spiegel sinθ max = B s B max Emil Pavlov 24 / 38

35 Transmissionfunktion Integrierender Hochpasslter Emil Pavlov 25 / 38

36 Ausgangssignal Emil Pavlov 26 / 38

37 Ausgangssignal Emil Pavlov 26 / 38

38 Ausgangssignal Emil Pavlov 26 / 38

39 Spektrometer Emil Pavlov 27 / 38

40 Detektor PIN Dioden Energieauösung 600 ev Ortsauösung Inhomogenitäten des Verzögerungspotentials Homogenität der Tritium-quelle Hintergrund von auÿerhalb des gewünschten Magnetfeldes Emil Pavlov 28 / 38

41 Simulierter Spektrum Nachbeschleunigung kleinerer Untergrund Emil Pavlov 29 / 38

42 Simulierte Messung Emil Pavlov 30 / 38

43 Emil Pavlov 31 / 38

44 Emil Pavlov 32 / 38

45 Emil Pavlov 33 / 38

46 Direkte Bestimmung der Neutrino Masse Eine groÿe Ordnung besser als die bisherige Ergebnisse 5σ-Entdeckungspotetial für m ν bis 0, 35 ev Obere Grenze von 0, 2 ev mit 90% C.L. Überprüfung der Daten von Heidelberg Moskau Schritt zur Physik über SM Emil Pavlov 34 / 38

47 DANKE FüR DIE AUFMERKSAMKEIT Emil Pavlov 35 / 38

48 I Katrin Colloboration, Design Report, 2004 Introduction to direct neutrino mass measurements and KATRIN by Thomas Thümmler, XXIV International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, Athens, Greece, June 14-19, 2010 The by Christian Weinheimer, Launch09: Neutrinos and Beyond, Heidelberg, Germany, June 9-12 absolute neutrino mass by Guido Drexlin, Launch09: Neutrinos and Beyond, Heidelberg, Germany, June 9-12 Emil Pavlov 36 / 38

49 II Detecting Neutinos by RGH Robertson, Summer School on Nuclear and Particle Astrophysics (INT 2009), Seattle (USA), Jun 29 - Jul 10, 2009 Note: Intro to KATRIN and related experiments! NOT Detecting Neutinos by RGH Robertson, Summer School on Nuclear and Particle Astrophysics (INT 2009), Seattle (USA), Jun 29 - Jul 10, 2009 Note: Further Intro to non-acc. neutrino experiments! Emil Pavlov 37 / 38

50 III The KATRIN neutrino mass experiment & vacuum considerations by Joachim Wolf, talk at Int.Conf. on Technology & instrum. in part.-physics (TIPP09), Tsukuba (Japan), Mar 11-17, 2009 Note: Required login information is provided! Designstudien fuer das Diploma thesis, B. Flatt, Mainz, 2001 Robert Boge,, Seminar SS 09 H. V. KLAPDOR-KLEINGROTHAUS and I. V. KRIVOSHEIN, Modern Physics Letters A, Vol. 21, No. 20 (2006) 1547 Wikipedia, general references Emil Pavlov 38 / 38