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