Der doppelte Beta-Zerfall

Präsentation zum Thema: "Der doppelte Beta-Zerfall"—  Präsentation transkript:

1 Der doppelte Beta-Zerfall
Beitrag zur Seminarreihe der Kern- und Teilchenphysik von Sebastian George

2 Inhaltlicher Aufbau Physik Experimentelle Schwierigkeiten
Vergangene Experimente Das „ideale“ Experiment Experimente der nächsten Generation

3 Beta-Zerfall

4 Übergänge Bahndrehimpulsänderung bei erlaubten Übergängen 0
Spinänderung 0 oder 1

5 Doppelter Betazerfall
Zweineutrinozerfall: Neutrinoloser Zerfall: Zerfall mit Bosonenemission:

6 Feynman-Graphen

7 Energien

8 Zweineutrino-Zerfall
Übergangsmatrix M

9 Neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall
Neutrinoemission und –absorption im Kern → Ort genau bestimmbar → Impulsungenauigkeit sehr groß → Änderung des Drehimpulses > 0 erlaubt

10 Summation auch über „verbotene“ Übergänge
Matrixelemente des Zweineutrino-Zerfalls sind leichter zu berechnen → Überprüfung der Theorie der Matrixelemente durch den Zweineutrino-Zerfall

11 Elektronenenergie

12 Experimentelle Schwierigkeiten
Neutrinos wechselwirken schwach → Nachweis über Elektronen des Prozesses Niedrige Zerfallsraten Begrenzte Anzahl an Nukliden, die doppelten Beta-Zerfall aufweisen Background

13 Background

14 Zusammensetzung des Backgrounds
Natürliche Radioaktivität Kosmische Strahlung Künstliche Radioaktivität Zweineutrino-Betazerfall

15

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17 Minimierung des Backgrounds
Chemische und physikalische Säuberung der Materialien Ausfrieren von Radon Untergrundlaboratorien Abschirmung des Detektors

18 Massensensitivität Mit Background Ohne Background

19 Experimentelle Methoden
Indirekter Nachweis durch Tochterkerne Direkter Nachweis durch Elektronen des Zerfalls Quelle und Detektor sind verschieden Quelle dient als Detektor

20 Vergangene Experimente
Heidelberg-Moscow 76-Germanium-Experiment Gran Sasso, Italien Gotthard-Tunnel 136-Xenon-Experiment Schweiz

21 Heidelberg-Moscow

22 Germaniumkristalldetektoren
86% angereichertes 76-Ge Gesamtmasse 11,5 kg

23 Abschirmung der Detektoren
Detektoren ummantelt von Kupferkryostaten Ein Detektor befindet sich in einer 270mm dicken Kupferbox Radioaktivarmer flüssiger Stickstoff friert Radon aus

24 Vier Detektoren von zwei Schichten Blei umgeben
Beide Aufbauten mit rostfreiem Stahl umgeben Borhaltiges Polyethylen reduziert Neutronenhintergrund Plastikszintillatoren minimieren Hintergrund durch Myonen Abschirmung der kosmischen Strahlung durch den Berg entspricht einer Abschirmung durch 3500m Wasser

25 Aufbau

26 Resultate Datenaufnahme von November 1995 bis August 2001
Veröffentlichte Werte für den neutrinolosen doppelten Betazerfall:

27 Energiespektrum

28 Gotthard-Tunnel-Laboratorium
1460m tief ≈ Abschirmung durch 3700m Wasser Neutronen praktisch abgeschirmt Myonen um den Faktor geschwächt

29 Das Experiment Driftkammer – time projection chamber
Daten: Ø 60cm; Länge 70cm; Volumen 180l 62,5% angereichertes 136Xe-Gas p=5bar → 24,2mol ≈ 3,3kg Xe-Gas Zwei Messzeiten mit insgesamt 12800h

30 Aufbau TPC innerhalb eines Kupferkessels
Weitere Bleischicht zur Backgroundreduktion

31 Zerfall und Ergebnisse
Q-Wert von 136Xe: 2480keV

32 Das ideale Experiment Geringe radioaktive Kontamination der Quelle
Saubere Anreicherung des Isotops Große Isotopenmasse Kleines Detektorvolumen Großer Q-Wert Hohe Energieauflösung Identifizierung von Tochterkernen in Koinzidenz zum doppelten Beta-Zerfall Isotope verwenden, deren Physik gut verstanden ist

33 Zukünftige Experimente
GENIUS 76-Germanium-Experiment Gran Sasso, Italien EXO 136-Xenon-Experiment New Mexico

34 Genius Nachfolgeexperiment von Heidelberg-Moscow
Ziel: Entdeckung des neutrinolosen doppelten Betazerfalls und Bestimmung der Neutrinomasse Vergrößerung der Detektormasse und Reduzierung des Backgrounds

35 Aufbau 240 Germaniumkristalle je 2,5kg auf einer Teflonkonstruktion
Außen 2 konzentrische Stahltanks Im Ersten flüssiger Stickstoff Im Zweiten mit Bor dotierte Isolierungsmaterialien

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38 EXO Weiterentwicklung des Gotthard-Tunnel-Experiments
TPC zur Aufzeichnung des Zerfalls Korrelierte Laserspektroskopie des Tochternuklids 136-Ba Nur der Zweineutrinozerfall bleibt als Background erhalten

39 Warum Xenon? Relativ einfach anzureichern Gutes Ionisationsmedium
Einfach zu säubern Chemisch inert Besitzt keine anregbaren langlebigen Isotope

40 TPC mit gasförmigem Xenon
Gute Energieauflösung Möglichkeit Ba(2+) zu Ba(1+) oder Ba(0) zu neutralisieren Laserspektroskopie im Volumen möglich Geringer Background Nachteil: relativ großes Volumen bei großen Detektormassen 2 Module:

41 Aufbau mit gasförmigem Xenon

42 TPC mit flüssigem Xenon
Kleines Volumen: 3 Kubikmeter ≈ 10t Xenon Energieauflösung ausreichend? Räumliche Auflösung der Ionisationspunkte nicht möglich Barium-Ionen können nicht optisch im Xenon betrachtet werden

43 Aufbau mit flüssigem Xenon

44 Vergleich Beobachtung des neutrinolosen doppelten Betazerfalls
Bestimmung der Neutrinomasse Sensitivität ≈ 0,01eV Genius: Enge Verbindung zum Heidelberg-Moscow-Experiment „Alte“ Idee mit neuer Technik Exo: Anlehnung an das Gotthard-Tunnel-Experiment Neue Idee; kein Untergrund