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1
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
26
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