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

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Präsentation zum Thema: "Der doppelte Beta-Zerfall Beitrag zur Seminarreihe der Kern- und Teilchenphysik von Sebastian George von Sebastian George."—  Präsentation transkript:

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

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

3 Beta-Zerfall

4 Übergänge Bahndrehimpulsänderung bei erlaubten Übergängen 0 Bahndrehimpulsänderung bei erlaubten Übergängen 0 Spinänderung 0 oder 1 Spinänderung 0 oder 1

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

6 Feynman-Graphen

7 Energien

8 Zweineutrino-Zerfall Übergangsmatrix M Übergangsmatrix M

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

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

11 Elektronenenergie

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

13 Background

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

15

16

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

18 Massensensitivität Mit Background Mit Background Ohne Background Ohne Background

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

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

21 Heidelberg-Moscow

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

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

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

25 Aufbau

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

27 Energiespektrum

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

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

30 Aufbau TPC innerhalb eines Kupferkessels TPC innerhalb eines Kupferkessels Weitere Bleischicht zur Backgroundreduktion Weitere Bleischicht zur Backgroundreduktion

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

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

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

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

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

36

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

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

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

41 Aufbau mit gasförmigem Xenon

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

43 Aufbau mit flüssigem Xenon

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


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