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Messung der Masse desElektronneutrinos

Philip Schneider

29.11.2013

Seminarvortrag

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Entdeckungsgeschichte

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Gliederung

• Neutrinophysik

• Mainzer Neutrinoexperiment

• Nachfolgeexperiment KATRIN

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Neutrinos

• Gehören zu Leptonen

• Spin ½-Teilchen

• Elektrisch neutral

• Schwache Wechselwirkung

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Interesse an der Neutrinomasse

• Widerspruch zum Standardmodell

• Neue Wege in der Teilchenphysik

• Kosmologie

• Dunkle Materie

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Neutrinomasse

• Modellvorhersage ≠ Fluss solarer Elektronneutrinos

• Neutrinooszillationen (nur möglich mit massiven Neutrinos)

• Flavoureigenzustände

(= Wechselwirkungszustände)

sind darstellbar als Linearkombination von

Masseneigenzuständen

(beschreiben Masse der Neutrinos)

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Neutrinomasse

• Neutrinooszillationsexperimente sind sensitiv auf Massenabstandsquadrat zweier Absolutmassen

• Massendifferenzen somit bekannt

Neutrinos haben von Null verschiedene Masse

• Suche nach Absolutskala

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Mainzer Neutrinoexperiment

• Messmethode

• Versuchsaufbau

• Beta-Quelle

• MAC-E-Filter

• Fehlerquellen

• Messergebnisse

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Messmethode

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Versuchsaufbau

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• Kondensierte Festkörperquelle

aus Tritium (T=1.86 K)

• Endpunktsenergie von

• Spektrum skaliert mit

Relevanter Bereich gut erkennbar

• Einfachst aufgebaute Elektronenhülle

• Halbwertszeit von 12.3 Jahren

Beta-Quelle

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MAC-E-Filter

Magnetic Adiabatic Collimation combinedwirth an Electrostatic Filter

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• Führung der Elektronen auf Zyklotronbahnen um die Magnetfeldlinien

• Von starkem zu schwachem B-Feld wirkt Gradientkraft

auf das magnetische Bahnmoment der Elektronen

MAC-E-Filter

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• Beschleunigung parallel zu den Magnetfeldlinien

Umwandlung von transversaler in longitudinale Energie

• In Analysierebene fast gesamte Energie der Elektronen in Vorwärtsrichtung

MAC-E-Filter

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• Angelegtes Gegenfeld bremst Elektronen ab

• Elektronen mit genügend Energie könnenRetardierungspotential überwinden

• Beschleunigungauf Startenergie und magnetische Führung zum Detektor

MAC-E-Filter

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• Adiabatisch: Änderung des Magnetfeldes pro Zyklotronumlauf klein

• Dann gilt in nicht-relativistischer Näherung

• Energieauflösung

MAC-E-Filter

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MAC-E-Filter

• Variation des Retardierungspotentials von knapp unter bis beliebig über Maximalenergie

• Änderung der kleinen Quellspannung bei konstanter Retardierungsspannung

: Beschleunigendes Potential an der Quelle

: Konstante Analysierspannungdes Spektrometersvon -18690 V

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Fehlerquellen

Dominanz des systematischen Fehlers durch die

Festkörperquelle:

• Inelastische Streuung der Elektronen innerhalb des Tritiumfilms

• Anregung von Nachbarmolekülen

• Selbstaufladung des Tritiumfilms

Dominanz des statistischen Fehlers durch

Unsicherheit aufgrund der Energieauflösung

von 4.8 eV

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Messergebnisse

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Messergebnisse

• Zusammenführung der 6 ungestörten von insgesamt 12 Messungen (1997-2001)

• Kombinierte Fitergebnisse liefern

• Obergrenze für die Elektronneutrinomasse

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KATRIN

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Gesamtlänge etwa 70 m

Versuchsaufbau

a Quellbereich

b Pump- bzw. Transportsektion

c Vor- und Hauptspektrometer

d Detektorbereich Gesamtlänge etwa 70 m

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Verbesserungen

• Kleinerer stat. Fehler durch bessere Energieauflösung von 1 eV

• Bessere Quellstärke

• Gasquelle vermeidet Systematik der Festkörperquelle

• Neue Limitierung durch Sekundärelektronen

Abschirmdrahtelektroden

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Erwartete Messergebnisse

• Sensitivität von

• Falls wahre Masse

dann positives Signal mit Vertrauensbereich

von

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Zusammenfassung

• Besonderheit der Neutrinomassen

• Prinzip des MAC-E-Filter

• Fühester Messstart von KATRIN 2015

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Quellen

• C. Kraus, Dissertation, Universität Mainz, 2003• Ch. Weinheimer, The neutrino mass direct

measurements, 2008 (http://arxiv.org/abs/1307.3518)• F. Schwamm, Dissertation, Universität Karlsruhe, 2004

• Homepage KATRIN-Experiment(http://www.katrin.kit.edu/)

• Homepage Mainzer-Neutrinoexperiment (http://www.physik.uni-mainz.de/exakt/neutrino/de_index.html )

• wikipedia.org

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Kinematik

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Neutrinomasse

• Flavoureigenzustände = Wechselwirkungszustände

sind Überlagerung von

Masseneigenzuständen

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Neutrinomasse

• Ruhemasse von Neutrinos

• Massendifferenzen bekannt

Sudbury Neutrino Observatory

Super-Kamiokande-Experiment

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• Adiabatisch: Änderung des Magnetfeldes pro Zyklotronumlauf klein

• Dann gilt in nicht-relativistischen Näherung

• Energieauflösung

MAC-E-Filter

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Anpassungsfunktion

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Fehlerquellen

• Wechselwirkung kosmischer Strahlung mit den Spektrometerwänden

• Penningartige Fallen

• Restgasionisation

• Sekundärelektronen können im Retardierungspotential zum Detektor hin beschleunigt werden