Das Karlsruher Tritium Neutrinoexperiment

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1 Das Karlsruher Tritium Neutrinoexperiment Hauptseminar SoSe08 Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Vortrag am von Benjamin Leiber 1

2 Übersicht 1. Die Neutrinos 2. ν-massebestimmung und β-zerfall 3. Das KATRIN-Experiment 2

3 1.1 Geschichte der Neutrinos 1930 W. Pauli postuliert hypothetisches Teilchen 1956 experimenteller Nachweis des (SRR) ν e + p e + + n 1962 Entdeckung des Myon-Neutrinos (AGS) π + µ + + ν µ 2000 Entdeckung des Tau-Neutrinos (DONUT) ν τ ν e 3

4 Erste Neutrinodetektoren in Hanford und Savannah River ν e + p e + + n 4

5 1.2 Neutrinos im Standardmodell elektrisch neutral nehmen nur an der schwachen WW teil keine Aussage über Fermionenmassen Neutrinos nicht massebehaftet bilden mit Elektron, Myon und Tau die Leptonen in schwachen Prozessen ist die Leptonenzahl erhalten 5

6 1.3 Neutrinooszillationen SuperKamioKANDE und SNO: atmosphärische & solare Neutrinos ändern auf Flug zum Detektor ihren Flavour die Flavour-Eigenzustände der Neutrinos entsprechen nicht deren Massen- Eigenzuständen, es gilt: ν e ν µ = ν τ U e1 U e2 U e3 U µ1 U µ2 U µ3 U τ1 U τ2 U τ3 ν 1 ν 2 ν 3 Neutrinos haben Masse Massen m1,m2,m3 verschieden 6

7 1.4 Masse der Neutrinos einziges Fermion im SM, dessen Masse nicht experimentell gesichert ist unklar ob Massen hierarchisch (m3>m2>m1) oder degeneriert (m3 m2 m1) kosmologische Prozesse wie z.b. Struktur- und Galaxienbildung deuten auf massive Neutrinos einziger Kandidat für heiße Dunkle Materie (Baryonen zu Relic Neutrinos 1:10 9 ) n ν,relic 340 cm 3 7

8 1.5 Neutrinos - Majorana-Teilchen? Dirac-Theorie: Neutrino&Antineutrino unterschiedliche Teilchen mit unterschiedlichen Leptonenzahlen(+1,-1) Majorana-Theorie: Eigenzustände Superpositionen von Teilchen und Anti-Teilchen Neutrinos&Antineutrinos zwei Helizitätszustände desselben Teilchens Majorana-Neutrino das Majorana-Neutrino besitzt Anteile beider Helizitätszustände Neutrinos bzw. Antineutrinos können sich vernichten 8

9 2.1 Methoden für die ν-massebestimmung indirekt: Fluktuationen des CMB, Vermessung großräumiger Strukturen (WMAP, SDSS, Lymanα-Forest): Σ mν c 2 < 0.56 bzw ev neutrinoloser Doppelbetazerfall (GERDA,Hd-M) direkt: Messung der Flugzeit von Supernovaneutrinos (SN1987a): mνec 2 < 5.7eV Kinematik β-zerfall 9

10 2.2 Neutrinoloser Doppelbetazerfall ββ0ν findet statt, wenn einfacher β-zerfall energetisch veboten, Zerfall zu Kern mit Z+2 jedoch erlaubt virt. Neutrino wird zwischen den Nukleonen ausgetauscht: es wird kein Neutrino emittiert ausgetauschtes Neutrino hat Helizität gewechselt Heidelberg-Moskau-Experiment anhand von 76 Ge bisher noch keinen Zerfall beobachtet mνec 2 < 0.34eV τ 2ν a τ 0ν a 10

11 2.3 Der β - -Zerfall schwacher Prozess, bei dem sich Neutron in Proton umwandelt, Elektron und Elektron-Antineutrino werden emittiert 3-Körper-Zerfall kontinuierliches Energiespektrum des Elektrons direkte Neitrinomassebestimmung aus Zerfallskinematik p {}}{ u d u e W ν e u d d }{{} n 11

12 2.4 Tritium Wasserstoffisotop 3 H mit 2 Neutronen natürliche Häufigkeit 1/6500 bei KATRIN: Tritium aus schwerem Wasser von Kernreaktoren β-spektrum und Zustand des Tochterkern sehr gut beschreibbar Anregungen der Hüllenelektronen des Tochterkerns sehr gut beschreibbar niedriger Endpunkt des β-spektrums Neutrinomasse hat großen Einfluss 12

13 Spektrum des Tritium-β-Zerfalls 3 H 3 He + e + ν e τ 1 2 = 12.32a E 0 = kev 13

14 3.1 Anforderungen an Experiment Auflösung von Abweichungen im Spektrum um E0 sehr gute Energieauflösung adiabatische Bewegung der Elektronen nur hohe Energien betrachten Verwendung MAC-E-Filter Detektor mit guter Energieauflösung hohe Zählrate bei großen Energien hohe Luminosität hohe Startwinkelakzeptanz Untergrundunterdrückung hohes Vakuum dünne aktive Lagen im Detektor Abschirmung 14

15 3.2 MAC-E-Filter Überlagerung von magnetischen und elektrostatischen Feldern Quellelektronen auf Zyklotronbahnen um Magnetfeldlinien Elektronen beschleunigt in Richtung Spektrometermitte, besitzen dort nur noch parallelen Impuls zum B-Feld elektrisches Potential nur für Elektronen mit Parallelenergie größer eu0 passierbar Elektronen wieder um eu0 beschleunigt und zum Detektor geleitet Hochpass-Filter BA=Bmin 15

16 3.2 Vorgängerexperimente Mainz ( ) und Troitsk (1994-heute) grundsätzlich gleicher Aufbau wie KATRIN, aber kleiner, nur ein MAC-E-Filter verwendeten verschiedene β-quellen: schockkondensiertes Tritium (Mainz) gasförmiges Tritium (Troitsk) m ν,mainz < 2.2eV m ν,t roitsk < 2.05eV 16

17 3.3 Verbesserungen bei KATRIN höhere Energieauflösung ΔE/E kleines Verhältnis Bmin/Bmax ( ) höhere Luminosität (Quellenreinheit 70% 95%) größere Fläche der Analysierebene (x100) kleinere Analysepotentialschwankungen <0.4V (21.5ppm) weniger Untergrund (von 10mHz auf 1mHz) UHV von p < mbar zusätzliche Abschirmung längere Messdauer (von 300 auf 1000 Tage) Halbleiterdetektor mit besserer Auflösung für Elektronen im Bereich von 18.6keV ( Bolometer) 17

18 3.4 Layout KATRIN (a)quelle (b)transportstrecke (c)vorspektrometer (d)hauptspektrometer (e)detektor 18

19 3.5 Tritium-Quelle Hauptquelle des Experiments ist fensterlose Tritiumgasquelle WGTS: auf 27K gekühltes 10m langes Edelstahlrohr mit 90mm Innendurchmesser (p=3.4x10-3 mbar) maximaler Startwinkel von bis zu 51 durch Magnetfeld von 3.6T effektive Quellstärke s -1 19

20 3.6 Transportsystem Transport von Elektronen adiabatisch von der Quelle zum Spektrometer Tritium darf nicht in den Spektrometer eindringen Führungsmagnete verschiedener Stärke Turbomolekularpumpen cryo traps Einfangen des Tritiums in Argon-Schnee bei 4.5K 20

21 3.7 Vorspektrometer Reduktion des Elektronenflusses um Faktor in den Hauptspektrometer durch Voranalyse (Ee>E0-100eV) 3.42m lang mit einem Durchmesser von 1.70m Energieauflösung von ca. 70eV Betriebstemperatur -25 C kleiner MAC-E-Filter und Drahtelektrode 21

22 Bilder Vorspektrometer 22

23 Bilder Vorspektrometer 23

24 3.8 Hauptspektrometer Analyse des Bereichs 1eV um E0 23.3m lang mit einem Durchmesser von 10m Feldstärke in der Analysierebene Bmin=0.3mT Gehäuse auf Analysepotential U0 18.5kV Innentemperaturen von 350 C (Ausbacken mit 100kW) bis -20 C (Messbetrieb) großer MAC-E-Filter und Drahtelektrode 24

25 Bilder Hauptspektrometer 25

26 Bilder Hauptspektrometer 26

27 Bilder Hauptspektrometer 27

28 3.9 Detektor Energiemessung der Elektronen Unterdrückung von Untergrund Silizium-Drift-Detektor 11cm Durchmesser, 9mm 2 Pixelfläche (148 Pixel) zusätzliche Abschirmung Magnetfeld 3-6T 300μm aktive Schicht bedeckt von 50nm toter Schicht geringe γ-empfindlichkeit Bei Einschlag entstehen Elektron-Loch-Paare Löcher driften zur Oberfläche Elektronen driften zum Ende 2 Signale 28

29 Bilder Detektor 29

30 3.10 Alternative Messmodi Motivation: Einschätzung systematischer Fehler Troitsk Anomaly Time-Of-Flight Modus: Untersuchung lokaler Strukturen im β-spektrum Elektronen fliegen durch konstantes Potential durch Ausschließen kleiner Driftzeiten keine schnellen Elektronen Tiefpass-Filter durch Kombination mit MAC-E-Filter ergibt sich Bandpass-Filter Alternativquelle: schockkondensierte Tritiumquelle QCTS: 1.8K kalter, 350Å dicker Tritium-Film maximaler Startwinkel 66 durch Magnetfeld von 5T effektive Quellstärke s -1 WGTS s -1 30

31 3.11 Sensitivität Sensitivität des Experiments auf eine Neutrinomasse mνe > 0.2eV/c 2 Entdeckungspotential für mνe = 0.35eV/c 2 mit Vertrauensbereich von 5σ bzw. mνe=0.3ev/c 2 bei 3σ 31

32 Plot Entdeckungspotential 32

33 3.12 Aktueller Stand und Ausblick Quelle: Herstellung zur Zeit Aufbau am FZK für 2010 geplant Transportstrecke Lieferung diff. Pumpstrecke für August 2008 geplant Lieferung CryoTraps und Tests für 2010 geplant Vorspektrometer EM-Test zur Zeit Hauptspektrometer Seit November 2006 am FZK erfolgreicher Vakuumtest Juli 2007 zur Zeit Vorbereitungen zur Installation der Drahtelektroden Detektor Designphase abgeschlossen 33

34 Quellen KATRIN Design Report 2004, the KATRIN Collaboration Drexlin Guido, Graduiertenkolleg Oct2004 Sasbach-Walden, Neutrino Mixing and Masses - experimental status & perspectives Bornschein, Beate, PhD thesis, Universität Mainz, Untersuchung sys. Eff.und erste Messungen mit dem verbesserten Mainzer Neutrinoexperiment, 2000 Flatt, Björn, Diplomarbeit, Universität Mainz, Designstudien für das KATRIN- Experiment, 2001 Schwamm, Frank, PhD thesis, Universität Karlsruhe, Untergrunduntersuchungen für das KATRIN-Experiment,2004 Teilchen und Kerne, Povh,Rith,Scholz,Zetsche Müller, Thomas, Wagner, Wolfgang Physik VI: Kerne und Teilchen - SS