Post on 05-Apr-2015
Der doppelte Beta-ZerfallDer doppelte Beta-Zerfall
Beitrag zur Seminarreihe der Kern- und Beitrag zur Seminarreihe der Kern- und TeilchenphysikTeilchenphysik
von Sebastian Georgevon Sebastian George
Inhaltlicher AufbauInhaltlicher Aufbau PhysikPhysik
Experimentelle SchwierigkeitenExperimentelle Schwierigkeiten
Vergangene ExperimenteVergangene Experimente
Das „ideale“ ExperimentDas „ideale“ Experiment
Experimente der nächsten GenerationExperimente der nächsten Generation
Beta-ZerfallBeta-Zerfall
enpZerfallBeta
nepfangElektronen
epnZerfallBeta
:
:
:
ÜbergängeÜbergänge
Bahndrehimpulsänderung bei erlaubten Bahndrehimpulsänderung bei erlaubten Übergängen 0Übergängen 0
Spinänderung 0 oder 1Spinänderung 0 oder 1
Doppelter BetazerfallDoppelter Betazerfall
Zweineutrinozerfall:Zweineutrinozerfall:
Neutrinoloser Zerfall:Neutrinoloser Zerfall:
Zerfall mit Zerfall mit Bosonenemission:Bosonenemission:
NeeZAZA
eeZAZA
eeZAZA ee
21
21
______
21
)2,(),(
)2,(),(
)2,(),(21
Feynman-GraphenFeynman-Graphen
EnergienEnergien
Zweineutrino-ZerfallZweineutrino-Zerfall
Übergangsmatrix MÜbergangsmatrix M
22212
21
)1(
2
)(
])[(])[(
MgT
E
emGTMmaGTMM
m
Neutrinoloser doppelter Beta-Neutrinoloser doppelter Beta-ZerfallZerfall
Neutrinoemission und –absorption im Neutrinoemission und –absorption im KernKern
→ → Ort genau bestimmbarOrt genau bestimmbar
→ → Impulsungenauigkeit sehr großImpulsungenauigkeit sehr groß
→ → Änderung des Drehimpulses Änderung des Drehimpulses > 0 erlaubt> 0 erlaubt
Summation auch über „verbotene“ Summation auch über „verbotene“ ÜbergängeÜbergänge
Matrixelemente des Zweineutrino-Zerfalls Matrixelemente des Zweineutrino-Zerfalls sind leichter zu berechnensind leichter zu berechnen
→ → Überprüfung der Theorie der Matrixelemente Überprüfung der Theorie der Matrixelemente durch den Zweineutrino-Zerfall durch den Zweineutrino-Zerfall
220010
21 )(
mMgT
ElektronenenergieElektronenenergie
Experimentelle Experimentelle SchwierigkeitenSchwierigkeiten
Neutrinos wechselwirken schwach Neutrinos wechselwirken schwach → Nachweis → Nachweis über Elektronen des Prozessesüber Elektronen des Prozesses
Niedrige ZerfallsratenNiedrige Zerfallsraten
Begrenzte Anzahl an Nukliden, die doppelten Beta-Begrenzte Anzahl an Nukliden, die doppelten Beta-Zerfall aufweisenZerfall aufweisen
BackgroundBackground
BackgroundBackground
Zusammensetzung des Zusammensetzung des BackgroundsBackgrounds
Natürliche RadioaktivitätNatürliche Radioaktivität
Kosmische StrahlungKosmische Strahlung
Künstliche RadioaktivitätKünstliche Radioaktivität
Zweineutrino-Betazerfall Zweineutrino-Betazerfall
Background 2
Minimierung des Minimierung des BackgroundsBackgrounds
Chemische und physikalische Säuberung der Chemische und physikalische Säuberung der MaterialienMaterialien
Ausfrieren von RadonAusfrieren von Radon
UntergrundlaboratorienUntergrundlaboratorien
Abschirmung des DetektorsAbschirmung des Detektors
MassensensitivitätMassensensitivität
Mit BackgroundMit Background
Ohne Ohne BackgroundBackground MTMGfx
WeVm
MT
Eb
MGfx
WeVm
1)1067,2(
)1050,2(
21
200
8
412
1
200
8
Experimentelle MethodenExperimentelle Methoden
Indirekter Nachweis durch TochterkerneIndirekter Nachweis durch Tochterkerne
Direkter Nachweis durch Elektronen des ZerfallsDirekter Nachweis durch Elektronen des Zerfalls
Quelle und Detektor sind verschiedenQuelle und Detektor sind verschieden
Quelle dient als DetektorQuelle dient als Detektor
Vergangene ExperimenteVergangene Experimente
Heidelberg-MoscowHeidelberg-Moscow
76-Germanium-Experiment76-Germanium-Experiment
Gran Sasso, ItalienGran Sasso, Italien
Gotthard-TunnelGotthard-Tunnel
136-Xenon-Experiment136-Xenon-Experiment
SchweizSchweiz
Heidelberg-MoscowHeidelberg-Moscow
GermaniumkristalldetektoreGermaniumkristalldetektorenn
5 Detektoren5 Detektoren
86% angereichertes 76-86% angereichertes 76-GeGe
Gesamtmasse 11,5 kgGesamtmasse 11,5 kg
Abschirmung der Abschirmung der DetektorenDetektoren
Detektoren ummantelt Detektoren ummantelt von Kupferkryostatenvon Kupferkryostaten
Ein Detektor befindet Ein Detektor befindet sich in einer 270mm sich in einer 270mm dicken Kupferboxdicken Kupferbox
Radioaktivarmer Radioaktivarmer flüssiger Stickstoff flüssiger Stickstoff friert Radon ausfriert Radon aus
Vier Detektoren von zwei Vier Detektoren von zwei Schichten Blei umgebenSchichten Blei umgeben
Beide Aufbauten mit Beide Aufbauten mit rostfreiem Stahl umgebenrostfreiem Stahl umgeben
Borhaltiges Polyethylen Borhaltiges Polyethylen reduziert reduziert NeutronenhintergrundNeutronenhintergrund
Plastikszintillatoren Plastikszintillatoren minimieren Hintergrund minimieren Hintergrund durch Myonendurch Myonen
Abschirmung der Abschirmung der kosmischen Strahlung kosmischen Strahlung durch den Berg entspricht durch den Berg entspricht einer Abschirmung durch einer Abschirmung durch 3500m Wasser 3500m Wasser
AufbauAufbau
ResultateResultate
Datenaufnahme von November 1995 bis August 2001Datenaufnahme von November 1995 bis August 2001 Veröffentlichte Werte für den neutrinolosen doppelten Veröffentlichte Werte für den neutrinolosen doppelten
Betazerfall:Betazerfall:
%)95()84,005,0(
%)95(10)3,188,0( 25
21
eVm
JT
EnergiespektrumEnergiespektrum
Gotthard-Tunnel-Gotthard-Tunnel-LaboratoriumLaboratorium
1460m tief ≈ Abschirmung durch 3700m Wasser1460m tief ≈ Abschirmung durch 3700m Wasser
Neutronen praktisch abgeschirmtNeutronen praktisch abgeschirmt
Myonen um den Faktor 1.000.000 geschwächtMyonen um den Faktor 1.000.000 geschwächt
Das ExperimentDas Experiment
Driftkammer – time projection chamberDriftkammer – time projection chamber
Daten: Daten: Ø 60cm; Länge 70cm; Volumen 180lØ 60cm; Länge 70cm; Volumen 180l
62,5% angereichertes 136Xe-Gas 62,5% angereichertes 136Xe-Gas
p=5bar p=5bar → 24,2mol→ 24,2mol ≈ 3,3kg Xe-Gas≈ 3,3kg Xe-Gas
Zwei Messzeiten mit insgesamt 12800hZwei Messzeiten mit insgesamt 12800h
AufbauAufbau
TPC innerhalb eines TPC innerhalb eines KupferkesselsKupferkessels
Weitere Bleischicht Weitere Bleischicht zur zur BackgroundreduktionBackgroundreduktion
Zerfall und ErgebnisseZerfall und Ergebnisse
Q-Wert von 136Xe: 2480keVQ-Wert von 136Xe: 2480keV
eeBaXe
eeBaXe ee
136136
136136
JT
eVmJT
202
21
230
21
106,3
32104,4
Das ideale ExperimentDas ideale Experiment
Geringe radioaktive Kontamination der QuelleGeringe radioaktive Kontamination der Quelle Saubere Anreicherung des IsotopsSaubere Anreicherung des Isotops Große IsotopenmasseGroße Isotopenmasse Kleines DetektorvolumenKleines Detektorvolumen Großer Q-WertGroßer Q-Wert Hohe EnergieauflösungHohe Energieauflösung Identifizierung von Tochterkernen in Koinzidenz Identifizierung von Tochterkernen in Koinzidenz
zum doppelten Beta-Zerfallzum doppelten Beta-Zerfall Isotope verwenden, deren Physik gut verstanden Isotope verwenden, deren Physik gut verstanden
istist
Zukünftige ExperimenteZukünftige Experimente
GENIUSGENIUS
76-Germanium-Experiment76-Germanium-Experiment
Gran Sasso, ItalienGran Sasso, Italien
EXOEXO
136-Xenon-Experiment136-Xenon-Experiment
New MexicoNew Mexico
GeniusGenius
Nachfolgeexperiment von Heidelberg-MoscowNachfolgeexperiment von Heidelberg-Moscow
Ziel: Entdeckung des neutrinolosen doppelten Ziel: Entdeckung des neutrinolosen doppelten Betazerfalls und Bestimmung der NeutrinomasseBetazerfalls und Bestimmung der Neutrinomasse
Vergrößerung der Detektormasse und Vergrößerung der Detektormasse und Reduzierung des BackgroundsReduzierung des Backgrounds
AufbauAufbau
240 Germaniumkristalle je 2,5kg auf einer 240 Germaniumkristalle je 2,5kg auf einer TeflonkonstruktionTeflonkonstruktion
Außen 2 konzentrische StahltanksAußen 2 konzentrische Stahltanks
Im Ersten flüssiger StickstoffIm Ersten flüssiger Stickstoff
Im Zweiten mit Bor dotierte Im Zweiten mit Bor dotierte IsolierungsmaterialienIsolierungsmaterialien
EXOEXO
Weiterentwicklung des Gotthard-Tunnel-Weiterentwicklung des Gotthard-Tunnel-ExperimentsExperiments
TPC zur Aufzeichnung des ZerfallsTPC zur Aufzeichnung des Zerfalls
Korrelierte Laserspektroskopie des Tochternuklids Korrelierte Laserspektroskopie des Tochternuklids 136-Ba136-Ba
Nur der Zweineutrinozerfall bleibt als Background Nur der Zweineutrinozerfall bleibt als Background erhaltenerhalten
Warum Xenon?Warum Xenon?
Relativ einfach anzureichernRelativ einfach anzureichern
Gutes IonisationsmediumGutes Ionisationsmedium
Einfach zu säubernEinfach zu säubern
Chemisch inertChemisch inert
Besitzt keine anregbaren langlebigen IsotopeBesitzt keine anregbaren langlebigen Isotope
TPC mit gasförmigem XenonTPC mit gasförmigem Xenon
Gute EnergieauflösungGute Energieauflösung Möglichkeit Ba(2+) zu Ba(1+) oder Ba(0) zu Möglichkeit Ba(2+) zu Ba(1+) oder Ba(0) zu
neutralisierenneutralisieren Laserspektroskopie im Volumen möglichLaserspektroskopie im Volumen möglich Geringer BackgroundGeringer Background Nachteil: relativ großes Volumen bei großen Nachteil: relativ großes Volumen bei großen
DetektormassenDetektormassen 2 Module:2 Module:
tatmpCTmV 2,4;20;20;35 3
Aufbau mit gasförmigem Aufbau mit gasförmigem XenonXenon
TPC mit flüssigem XenonTPC mit flüssigem Xenon
Kleines Volumen: 3 Kubikmeter ≈ 10t XenonKleines Volumen: 3 Kubikmeter ≈ 10t Xenon
Energieauflösung ausreichend? Energieauflösung ausreichend?
Räumliche Auflösung der Ionisationspunkte nicht Räumliche Auflösung der Ionisationspunkte nicht möglichmöglich
Barium-Ionen können nicht optisch im Xenon Barium-Ionen können nicht optisch im Xenon betrachtet werdenbetrachtet werden
Aufbau mit flüssigem XenonAufbau mit flüssigem Xenon
VergleichVergleich
Beobachtung des neutrinolosen doppelten BetazerfallsBeobachtung des neutrinolosen doppelten Betazerfalls Bestimmung der NeutrinomasseBestimmung der Neutrinomasse Sensitivität ≈ 0,01eVSensitivität ≈ 0,01eV
Genius:Genius: Enge Verbindung zum Heidelberg-Moscow-ExperimentEnge Verbindung zum Heidelberg-Moscow-Experiment „ „Alte“ Idee mit neuer TechnikAlte“ Idee mit neuer Technik
Exo:Exo: Anlehnung an das Gotthard-Tunnel-ExperimentAnlehnung an das Gotthard-Tunnel-Experiment Neue Idee; kein UntergrundNeue Idee; kein Untergrund