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Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 1

Neutrinos:

Kosmische Leichtgewichte auf der

Waagschale von KATRIN

•Neutrinos, ihre Masse & das Universum

•KATRIN – eine Waage für Neutrinos

am Forschungszentrum Karlsruhe


Wolfgang Pauli

„Man denk am Besten gar nicht darüber nach,

wie über die neuen Steuern.“


1920-1930

L. Meitner und E.Ellis messen in

den 20er Jahren unabhängig die

Energien der emittierten

Elektronen. Ihre Messergebnisse

stehen in krassem Widerspruch

zur Erwartung.

+ Energieerhaltungssatz

+ Impulserhaltungssatz

Untersuchungen an radioaktiven Substanzen,

die Elektronen emittieren (Beta-Strahler)

Erwartung

Messung


Zusätzlich zum Elektron

wird noch ein weiteres

Teilchen aus dem Kern

emittiert:

ein NEUTRINO…

Wolfgang Pauli

Nils Bohr


• elektrisch neutrales Teilchen

• sehr große Reichweite in

Materie

• Spin ½

• Masse? Falls ja sehr gering

„Meine lieben Radioaktiven testet es und stellt es richtig.“


Neutrinos sind als Elementarteilchen im Standardmodell

etabliert

und gehören zu den uns bekannten Bausteinen der Materie


1934 Enrico Fermi entwickelt Theorie, in das Neutrino

eingebettet ist (schwache Wechselwirkung).

1935 Hans Bethe berechnet die Wahrscheinlichkeit

ein Neutrino im Experiment nachzuweisen.

Demnach benötigt es einen Absorber von 1021 cm,

um 1 Neutrino zu stoppen!


1934 Enrico Fermi entwickelt Theorie, in das Neutrino

eingebettet ist (schwache Wechselwirkung).

1935 Hans Bethe berechnet die Wahrscheinlichkeit

ein Neutrino im Experiment nachzuweisen.

1956 Reines & Cowan gelingt der experimentelle

Nachweis der Neutrinos an einem Kernreaktor.


Nachweis von Teilchen, die sich kaum bemerkbar machen

„Bremsweg“ von Neutrinos in Wasser:

- bis zum Zentrum unser Milchstraße

- Unser Körper wird jede Sekunde von über

100 Milliarden Neutrinos von der Sonne

durchströmt !

Moderne Neutrino-Detektoren:

- starke Neutrino-Quellen (Sonne,

kosmische Strahlung, Fusions-Reaktoren,

Supernovae,…)

- riesige Detektoren !

Neutrino-Detektor SuperKamiokande


ist ein Elementarteilchen.

ist elektrisch neutral.

hat eine sehr, sehr große Reichweite in

Materie und eine kaum nachweisbare

Wechselwirkung mit Materie.

gibt es in 3 verschiedene Sorten, die sich

ineinander umwandeln können (Neutrino-

Oszillationen).

hat eine sehr kleine, aber unbekannte Masse.

Ein Neutrino ...


Neutrinos:


Waagschale von KATRIN •Was sind Neutrinos?



Teilchenphysik

Kosmologie Astrophysik

Neutrino-

masse


12 Elementarteilchen als

Bausteine der Materie.

Warum sind die Neutrinos so

viel leichter als die anderen?

Massenschema der Elementarteilchen

Sind die drei Neutrinosorten

überhaupt unterschiedlich

schwer?

1. Teilchenphysik


Über 300

Neutrinos pro cm³

sind heute noch

vom Urknall übrig.

Tragen diese

Neutrinos zur

Gesamtmasse des

Universums bei?

2. Astrophysik


3. Kosmologie


Simulation

Schwere Neutrinos beeinflussen

Strukturbildung!


Neutrinos:


Waagschale von KATRIN •Was sind Neutrinos?


•KATRIN – eine Waage für Neutrinos

am Forschungszentrum Karlsruhe

Das KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment


Wie wiegt man Neutrinos ?

2

0 cmE

Wenn das Neutrino eine Masse besitzt,

fehlt dem Elektron mindestens,

diese Ruheenergie E0.

Messung der Elektronenenergie Neutrinomasse

„Energie = Masse“


Wie wiegt man Neutrinos ?

~ 1/1000 des

gesamten

Energiebereiches

~ Ein Milliardstel

aller Zerfälle

Präzise Messung der

Elektronenenergie gibt Aussage

über Neutrinomasse -Masse = 0

-Masse ≠ 0

E=mc²


Prinzip der Energiemessung der Elektronen

Elektron mit

hoher Energie

(z.B.: 18750 eVolt)

Elektron mit

niedriger Energie

(z.B.: 18000 eVolt)


Prinzip der Energiemessung der Elektronen

Elektron mit

hoher Energie

(z.B.: 18750 eVolt)

Elektron mit

niedriger Energie

(z.B.: 18000 eVolt)

Spannung -18 600 Volt


Und im richtigen Leben

Elektron mit

hoher Energie

(z.B.: 18750 eVolt)

Elektron mit

niedriger Energie

(z.B.: 18000 eVolt)

Spannung -18 600 Volt


Tritiumquelle Transportsystem Spektrometer Detektor

70 m

Führung der Zerfallselektronen von Quelle zum Detektor mit starken Magnetfeldern

~30 supraleitende Magnete


Zerfallszeit von ~ 12 Jahren

Niedrige Zerfallsenergie

Verfügbar als Feststoff und in Gasphase

Tritium 31H

Isotop des Wasserstoffes.

Beta-Strahler mit Anwendungen :

• Biomedizin

• Leuchtstoff in Uhren etc …,

• Brennstoff für Fusionsreaktoren

• militärische Anwendungen -> strenge

Lizenzauflagen in Europa & USA

Tritium

Helium


Das KArlsruhe Tritium Neutrino Experiment


Intensität der Quelle

Stabilität der Quelle

Gasreinheit

10 Trillionen Tritium-Moleküle

10 Mrd. Elektronen / Sek.




hohe Pumpleistung

Zuverlässigkeit



< 9 Tritium-Moleküle/cm³





Ultra-Hochvakuum p<10-11 mbar




10 Mrd. Elektronen /Sek. 1000 Elektronen / Sek

Hochspannungs-Präzision







10 Mrd. Elektronen /Sek. 1000 Elektronen / Sek 1 Elektronen / Sek.

Nachweis einzelner Elektronen,

elektronische Verarbeitung sehr

kleiner Signale


Technischen Herausforderungen •Tritium-Handling

•Vakuumtechnik

•Supraleitende Magnete

•Kryotechnik

•Experimentüberwachung

und Steuerung

•Messtechnik (Hochspannungsmessung,

Elektronenkanonen …)

•…


Faszination Neutrinophysik: Schlüssel zu Teilchenphysik, Astrophysik & Kosmologie

KATRIN: Experiment zum Lüften des Geheimnisses der Neutrinomasse

Messergebnis hat weitreichende Konsequenzen für unser heutiges Verständnis der Astrophysik, Kosmologie & Teilchenphysik

Spitzenforschung im interdisziplinären Verband und internationaler Kollaboration am KIT notwendig zum Lösen der experimentellen Aufgaben

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