Astroteilchenphysik I Wintersemester 2015/16 Vorlesung # 10, 22.12.2015 Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik, Fakultät für Physik Experimentelle Techniken - Abschirm-Methoden gegen externe Strahlung: aktiv & passiv - Zerfallsketten: die vier primordialen a-ketten - Radon als Untergrundquelle KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
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 2 22.12.2015
Myonrate (Myonen/m 2 /Jahr) Untergrundlabore 10 6 Myonrate und Abschirmtiefe 10 5 Sandford flach WIPP Soudan 10 4 10 3 LNGS Kamioka Baksan LSM - Myon- Abschirmung durch Fels 10 2 SNOLAB CJPL 10 1 DUSEL Homestake (tief) 5 6 7 8 9 10 3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4 Tiefe (m Wasseräquivalent) Standardfels r = 2.65 g/cm 3 3 22.12.2015
Suche nach Dunkler Materie Suche nach Dunkler Materie mit LXe in vier Untergrundlaboren XMASS (Kamioka) XENON1T (LNGS) LUX (Sanford) PANDAX (CJPL) 4 22.12.2015
2.2.2 Abschirm-Methoden natürliche Radioaktivität im Gestein erzeugt: a-teilchen (3-7 MeV), ß-Elektronen (0.02 2 MeV), Gammas (< 3.6 MeV) und Neutronen (MeV) Wieviel Abschirmung benötigt der Detektor? Cu 5 22.12.2015
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 = 10 11 g s D: N = 10 18 g s 6 22.12.2015
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) = 1.4 10 10 a erzeugt 1 g Th 4 10 10 Gammas / Jahr 1300 Gammas / Sekunde Gamma-Raumuntergrund: N ~ 10 11 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 7 22.12.2015
natürliche Radioaktivität - Gestein benötigter Abschirmfaktor für ~1 MeV g s ~10 9 = 20 X 0 (X 0 : Strahlungslänge) daher wird oft eine Abschirmung aus massivem Blei () verwendet g 232 Th d =? Quartz 8 22.12.2015
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 100 10 L 2 L 1 L 3 K Kante Blei 232 Th 1 0.1 Paarbildung Abschwächkoeffizient µ Absorption d =? 0.01 Quartz 0.001 0.01 0.1 1 10 100 g-energie (MeV) 9 22.12.2015
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 210 232 Th d = 45 cm Quartz 10 22.12.2015
Blei-210 Untergrund Isotop -210 entsteht aus der 238 U-Zerfallskette mit t ½ ( 210 ) = 22 a Verwendung von altem Blei, in dem 210 zerfallen ist Römisches g 210 232 Th Quartz 11 22.12.2015
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 12 22.12.2015
natürliche Radioaktivität - Gestein die innerste Abschirmung besteht oft aus hochreinem Kupfer um den intrinsischen Untergrund von abzuschirmen g 210 232 Th Quartz Cu 13 22.12.2015
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 14 22.12.2015
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 15 22.12.2015
Myon-induzierte Radioaktivität - Gestein Myonen können durch tief-inelastische Streuprozesse im Gestein hochenergetische Neutronen erzeugen, die die Abschirmung durchdringen Myon g n Cu n 16 22.12.2015
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 17 22.12.2015
Nachweis des Myons durch Vetozähler Plastik-Szintillatoren dienen als aktive Veto-Zähler zum Nachweis der Myonenspur in der Nähe der äußeren Abschirmung g PE Cu 18 22.12.2015
Aufbau eines Vetozähler Anordnung der Szintillator-Module in einer 4p Geometrie um die Veto-Effizienz zu maximieren Myon PE 19 22.12.2015
Aktive und passive Abschirmung Optimale Kombination von aktiver und passiver Abschirmung µ 232 Th g 210 2.2 MeV g PE Cu 20 22.12.2015
Aktive und passive Abschirmung Extrem untergrundarme Materialien für Astroteilchenphysik - Detektor, innere Cu-Abschirmung: elektrolytisch (unter Tage) ~100 nbq/kg für die Suche nach dunkler Materie, 0nßß-Zerfall - Wachstum 10 langsamer als Haare e - Batterie e - + - unreine Cu- Elektrode reine Cu- Elektrode Abfall Cu 21 22.12.2015
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 22 22.12.2015
Untergrundreduktion XENON100 23 22.12.2015
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 24 22.12.2015
Untergrundreduktion Grenze Solare Neutrinos: wie dick müsste -Abschirmung sein? A: 10 2 km B: 10 8 km (1 AE) n e C: 10 14 km (1 pc) D: 10 16 km (100 pc) 25 22.12.2015
Untergrundreduktion Grenze Solare Neutrinos: wie dick müsste -Abschirmung sein? - limitieren die Suche nach seltenen Prozessen bei Targetmassen > 10 t n e 26 22.12.2015
2.2.3 Zerfallsketten Woher kommen die radioaktiven Isotope im Gestein? g a 232 Th 235 U 237 Np Quartz 238 U 27 22.12.2015
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 28 22.12.2015
Primordiale Zerfallsketten die vier primordialen Zerfallsketten - langlebige Mutterisotope: 10 6 10 10 a 232 Th 237 Np 238 U 235 U - stabile End-Isotope: 208 209 Bi 206 207 Thorium-Reihe Neptunium-Reihe Uran-238-Reihe Aktiniden(U-235)-Reihe 29 22.12.2015
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 1 2 3 1 2 1 N N N 1 2 1 2 3 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 1 1 2 2 N 2 Aktiniden- Reihe 3 3 3 N 3 30 22.12.2015
Rate Zerfallskette von Uran-238 2000 214 Uranserie 238 U A = 4 j + 2 238 U 206 1500 214 Bi t ½ = 4.5 10 9 a 214 1000 500 214 226 Ra Gammaspektrum von nat U 214 Bi 214 Bi 214 Bi 214 Bi 214 Bi 0 0.5 1.0 1.5 E [MeV] 31 22.12.2015
Zerfallskette von Uran-238 Gilbert s Atomic Energy Lab - a-quellen: Po-210, -210 - Kosten 49.50 $ (1951) Po-210-Quelle: E(a) = 5.31 MeV T = 138.4 Tage 32 22.12.2015
Zerfallskette von Uran-238 Gilbert s Atomic Energy Lab - nicht mehr verfügbar Po-210-Quelle: E(a) = 5.31 MeV T = 138.4 Tage 33 22.12.2015
Radium-226: Entdeckung Radium-226 - Halbwertszeit t ½ = 1602 a - Entdeckung 1898 von Pierre & Marie Curie Nobelpreis für Chemie 1911 34 22.12.2015
Radium-226: industrielle Anwendung Radium-226 - Halbwertszeit t ½ = 1602 a - Radium als Leuchtmittel (Uhren) - Radiumwasser (Radithor) - Radium-Schokolade 35 22.12.2015
Edelgas Radon-222 Radon-Konzentration in unterirdischen Stollen sehr hoch (in Uran-Minen: ~10 6 B/m 3 ) - 99% der Dosis in der Lunge kommt von kurzlebigen Rn-Töchtern (Po-218, ) Radon therapie 36 22.12.2015
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-222 37 22.12.2015
Edelgas Radon-222 Radon-Emanation aus 1 m 2 Boden ~7400 222 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: - 2.4 10 9 Ci = 91 TBq 38 22.12.2015
Edelgas Radon-222 Radon-Emanation in einem Untergrundlabor ( Ventilation) Experimente 39 22.12.2015
Edelgas Radon-222 Radon-Emanation aus Detektorkomponenten stellt eine gefährliche Quelle von Untergrund dar Messung der Radon- Emanation im GERDA Kryostaten am LNGS 40 22.12.2015
Edelgas Radon-222 Radon-Zerfälle in Raumluft: -210 aus Rn-222 Zerfällen gelangt über Aerosole an Wände ~20-50 Bq/m 3 an Rn-222 41 22.12.2015
Zerfallsketten 235 U Aktiniumserie 235 U A = 4 j + 3 235 U 207, t ½ = 7.1 10 8 a Getterpumpe 15 42 22.12.2015
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 adsorbieren auf ln2-kalter Cu-Oberfläche (77K) 43 22.12.2015
Zerfallsketten 237 Np Neptuniumserie 237 Np A = 4 j + 1 237 Np 209 Bi, t ½ = 2.1 10 6 a Rauchmelder enthalten 241 Am 241 Am 241 Am 237 Np + a t ½ = 432.2 a 44 22.12.2015
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) 45 22.12.2015
Frohe Festtage & ein gutes Neues Jahr! 46 22.12.2015