Suche nach der Kosmischen Neutrino-Strahlung und KATRIN.

Amand FaesslerUniversität Tübingen

Publikation: Amand Faessler, Rastislav Hodak, Sergey Kovalenko, Fedor Simkovic:

arXiv: 1304.5632 [nucl-th] 11. Dez. 2013 und J. Phys. G38 (2011) 075202

Photonen = Licht enkoppelt 380 000 Jahre nach dem Urknall bei einer Temperatur von 3000 Kelvin.

Die Elektronen werden von den Protonen und Helium-Kernen zu neutralem Wasserstoff und Helium

eingefangen. Da die Temperatur von 3000 Kelvin = 0.3 eV zum

Ionisieren zu klein ist, können sich die Photonen im neutralen Universum nun frei bewegen.

Kosmische Mikrowellen- Hintergrund-Strahlung

(Photonen mit Maximum bei 2 mm)

Penzias und Wilson;

BellTelephon Nobel-Preis 1978

Diese Strahlung folgt bis auf vier Stellen genau der Planck‘schen Formel für Schwarzkörperstrahlung einer

Temperatur = 2.7255(6) Kelvin in jeder Richtung.

Planck Satelliten TemperaturenKosmischer Strahlungshintergrund (Release March 21. 2013)

6

Curvature of the Univers

flat

xx x

1 1 1

WMAP 2002 :1.00 0.02

Wir können die Ausdehnung der heissen

Flecken berechnen.

SchwarzkörperStrahlung mit

der Temperatur angepasst

(pdg 2012):T=2.7255(6) K

Experiment

T = 2.7255(6) Kelvin

Entkopplung der Neutrinos und der Kosmische Neutrino-Hintergrund

Für masselose massive Neutrinos:

Bei welcher Temperatur entkoppeln die Neutrinos?

Expansionsrate des Universuns: H=(da/dt)/a Wechselwirkungsrate: G ne-e+<svrelative>

H = = O( T2) [1/time]

G ~ (1/a3) <GF2 p2 c=1> ~ T3 <GF2 T2c=1> ~ GF

2 T5 [1/time]

with: Temperature = T ~ 1/a = 1/(length scale); hbar = h/(2p) = c = 1

Materiedominiert: r ~ 1/a3 ~ T3

(Energie=Massen)-Dichte des Universums

log r

a(t)~1/T

Dunkle Energie

1/Temp1 MeV,~1sec

1 eV5x104y heute

3000 K380 000

8x109 y g 2.7255 Kn 1.95 K

Strahlungsdominiert: r ~ 1/a4 ~ T4; Stefan-Boltzmann

1. Neutrino-Masse vom b-Zerfall: Tranformation from Mass to Flavor Eigenstates

Masse des Elektron-Neutrinos imTritium-Zerfall (Mainz + Troitsk)

With:

Messung der oberen Grenze der Neutrino- Masse in Mainz: mn < 2.2 eV 95% C.L.

Kurie-Plot

Q = 18.562 keV

mn 2>0 mn2 <0

Elektronen-Energie

Eur. Phys. J. C40 (2005) 447

2. Neutrino-Masse mit Astrophysik: Dichteverteilung der Materie im Universum (Power-Spektrum der Massenverteilung )

H = 100 x h [km/(sec x Mpc)]; Planck Sat: h = 0.67

Fourier-Transformation der Massenverteilung:

0 = 1.0 L= 0.66 b= 0.04 h = 72 ns = 0.94 n = 0

0.01

Cosmic Background RadiationnS = Potenz der für Fluktu-aktion k**nS nach inflationärer Expansion.

0 = 1.0 L= 0.66 b= 0.04 h = 72 ns = 0.94 n = 0.05

0.01

Neutrino-Masse aus Kosmologie

Wie kann man den Kosmischen Neutrino-Hintergrund nachweisen?

1. Anihilation of extreme high energy neutrino with low energy relic neutrino into Z0 burst above GZK.

2. Free floating divided cylinder with neutrino absorber and neutrino non-absorbing material.

3. Electron-Neutrino capture on Tritium (KATRIN).

nrelic 1.95 Kelvin

DGZK=50Mpc

1.Vernichtung von Kosmischen Neutrinos mit sehr hoch energetischen

Antineutrinos > 1022 eV

Z0

Über GZK

Vernichtung unterhalb der Greisen-Zatsepin-Kuzmin

Distanz von 50 Mpc

Energie-Erhaltung:En + mrel =

Impuls-Erhaltung:En = pZ;

En = = 4 [eV]Z 10 p0 20 g‘s; Z Nucleon - AntinucleonZ 17 π±e± ; ν,

mn = 1.0 and 0.1 eV

AntineutrinoE = 4x(1021 to 1022) eV

mn = 1 eVmn = 0.1 eV

Kosmische Strahlung vom Z-Burst erwartet bei 1021 -1022eV

Oberhalb GZK

2. Magnetisch frei schwebender Zylinder mit zur Hälfte n absobierendes Material

Permanent- Magnet

Superaleitender Magnet

Zylinder- Form

Eine Hälfte n

absorbierend,Die andere

Seite steril.

Das System rotiert in

den Neutrino -

wind.

Thomas Müller hat mich darauf hingewiesen

(Rujula).

A. Ringwald: arXiv:hep-ph/031157v1; 2003.

3. Suche nach dem Kosmischen n Unter-grund durch den Tritium-Beta-Zerfall.

Kurie-Plot des Beta- und induzierten Beta- Zerfalls: n(CB) + 3H(1/2+) 3He (1/2+) + e-

Elektron Energie

2xNeutrino- Masse

Emittierdes Elektron

Q = 18.562 keV

Unendlich gute

Auflösung

Auflösung Mainz: 4 eV mn < 2.3 eV

Auflösung KATRIN: 0.93 eV mn < 0.2 eV 90% C. L.

Fit der Parameter: mn

2 und Q value meVZusätzlicher Fit: nur Intensität der CnB

Tritium Beta-Zerfall: 3H 3He+e-+nc

e

Neutrino-Einfang: n(relic) + 3H 3He + e-

20 mg(eff) Tritium 2x1018 T2-Moleküle: n-Einfänge KATRIN = 1.7x10-6 nen/<nen> [Jahr-1]

Alle 590 000 Jahre ein Einfang! Für <nen> = 56 cm-3

Hoffnung:

Zahl der Einfänge bei mittlerer Neutrinodichte:

nen 56 [Electron-Neutrinos/cm3]

KATRIN: 1 Count in 590 000 Years

Gravitative Anziehung der Kosmischen Hintergrund-Neutrinos in

unserer Galaxie.

Gravitative Ansammlung von NeutrinosR.Lazauskas,P. Vogel and C.Volpe, J. Phys.g. 35 (2008) 025001;

Light neutrinos: Gravitieren nur in 50 Mpc (Galaxy Cluster): nn/<nn> ~ nb/<nb> ~ 103 – 104; <nb>= 0.22 10-6 cm-3

A. Ringwald and Y. Wong: Vlasov trajectory simulations. Einfang in einer Galaxie (30 kpc to 1 Mpc)

nn/<nn> = nb/<nb> ~ 106 ; (R = 30 kpc)

Nncapture(KATRIN) = 1.7x10-6 nn/<nn> (year-1)= 1.7 [counts per year]

Effective Tritium Source: 20 microgram 2 milligramNncapture(KATRIN*) = 1.7x10-4 nn/<nn> (year-1)= 170 [counts/year];

20 Mikrogramm 2 Milligramm Tritium

• Solch eine Erhöhung der Tritium-Quellstärke ist mit

einem KATRIN-Typ Spektrometer (wahrscheinlich)

nicht möglich!

Source

Beschränkungen der Tritium-Quelle1) The decay electrons should not

scatter by the Tritium gas.

Beam

Tritium Gas

Magnetic Field3.6 Tesla

d

Nach der mittleren freien Weglänge haben 36 % der Elektronen nicht gestreut.

Optimale Säulendichte etwas unter rdfree/2 Zahl der Tritium-Atome in Säule d = Säule-Dichte dr

Troitsk: 30%; Mainz: 40%; KATRIN: 90%

2) Erhaltung des Magnetischen Flusses:

Da man die Quellstärke pro Fläche nicht erhöhen kann, erhöht man die Fläche um einen Faktor 100 von 53 cm2 auf 5000 cm2.

Magnet. Fluß: (Ai=5000 cm2) x (Bi=360 Gauss) = 190 Tesla cm2 = Af x (3 Gauss)

Af = 63.6 m2 Spectrometer-Durchm. = 9 Meter

Magnet. Fluß: (Ai=5000 cm2) x (Bi=3.6 Tesla) =19 000 Tesla cm2 = Af x (3 Gauss);

Af = 6 362 m2 Spektro-Durchm. = 90 Meter

KATRIN Spektrometer-Tank auf dem Weg vom

Rhein zum KIT-Nord Karslsruhe

Ein Riese unterwegs

Kompromiere den Elektron-Zyclotron –Strahl mit Durchmesser 80 cm zum Durchmesser

= 8 cm des Transportkanals durch Erhöhung des Magnetfeldes von 0.036 3.6 Tesla.

Überwinde den magnetischen Spiegel Durch Beschleunigung der Elektronen mit einer

a positiven Spannung zum Transport-Kanal. Das Spektrometer wieder

auf Erd-Potential.

3H-Quelle, Spektrometer und DetektorErhaltung des magnet. Fusses: Fläche*Magnetfeld;

Elektron-Impuls pe ; Auflösung: DE = Ef perpendicular

B(Quelle) = 3.6*104 Gauss (Fläche der Quelle)~ 50 cm2

B(Spectro) = 3 GaussFläche(Spectro) = 63.6 m2

KATRIN Design Report

3) Energieauflösung DE~ 1 eV

Energy resolution: Ef(perpend.) = Efp = DE

= = const; DE !=1 eV= Efp = Eip= Eip; Eip = 120 eV; of Q = 18.562 keV

D/(2p) = 0.005 = 0.5 %Beam direction

qmax (electrons) = 5.7°

pparallel

Pperpendicular

20 Mikrogramm 2 Milligramm Tritium

• Solch eine Erhöhung der Tritium- Quellstärke bei einem KATRIN- Typ-

Spectrometer erscheint nicht möglich! (But keep trying!!!)

• Siehe auch (Messe Photons von der Zyclotron-Resonanz-Strahlung):

A. Kaboth, J. A. Formaggio, B. Monreal, Phys. Rev. D82 (2010) 062001

Zusammenfassung 1• Der Kosmische Mikrowellen-

Hintergrund erlaubt das Universum 380 000 Jahre nach dem Urknall.

• Der Kosmische Neutrino-Untergrund 1 sec dem Urknall.

2xNeutrino Masses

Emitted electron

Kurie-Plot

Electron Energy

Zusammenfassung 21. Mittlere Dichte: nne = 56 [ Elektron-Neutrinos/cm-3] Katrin: 1 Einfang in 590 000 Jahren Gravitative Clusterbildung der Neutrinos in unserer

Galaxie: nn/<nn> < 106

1.7 Einfänge/Jahr (20 mg->2 mg 3H 170 pro Jahr)

2. Messe mit KATRIN jedoch obere Grenze von nne

ENDE