Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Die Präsentation wird geladen. Bitte warten

Suche nach der Kosmischen Neutrino-Strahlung und KATRIN. Amand Faessler Universität Tübingen Publikation: Amand Faessler, Rastislav Hodak, Sergey Kovalenko,

Ähnliche Präsentationen


Präsentation zum Thema: "Suche nach der Kosmischen Neutrino-Strahlung und KATRIN. Amand Faessler Universität Tübingen Publikation: Amand Faessler, Rastislav Hodak, Sergey Kovalenko,"—  Präsentation transkript:

1 Suche nach der Kosmischen Neutrino-Strahlung und KATRIN. Amand Faessler Universität Tübingen Publikation: Amand Faessler, Rastislav Hodak, Sergey Kovalenko, Fedor Simkovic: arXiv: [nucl-th] 11. Dez und J. Phys. G38 (2011)

2 Photonen = Licht enkoppelt 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)

3 Penzias und Wilson; BellTelephon Nobel-Preis 1978 Diese Strahlung folgt bis auf vier Stellen genau der Planck‘schen Formel für Schwarzkörperstrahlung einer Temperatur = (6) Kelvin in jeder Richtung.

4 4 (2002) Temperature-Fluctuations of the Cosmic Microw.-Background: 1/ COBE  WMAP COBE = Cosmic Background Explorer WMAP = Wilkinson Microwave Anisotropy Probe 2001

5 Planck Satelliten Temperaturen Kosmischer Strahlungshintergrund (Release March )

6 6 Curvature of the Univers flat xxx Wir können die Ausdehnung der heissen Flecken berechnen.

7 Das Universum ist flach und hat genau die kritische Energie=Mas- sen-Dichte:  = Wir können um uns nur bis zur Kugelfläche der letzten Elektron- Photon-Streuung sehen: ~14 x10 12 light years

8 Schwarzkörper Strahlung mit der Temperatur angepasst (pdg 2012): T=2.7255(6) K Experiment T = (6) Kelvin

9 The relative number abundance of the light nuclei formed in the big bang allows to determine the absolute baryon density and relative to the critical density (flat universe).  Baryon =  Baryon /  critical = 0.02h -2 = 0.04 n B = 0.22 m -3 e B = 210 MeV/m -3 h = 0.71 h 2 = 0.5 Hubble-Konstant= H = 100 h [km/(sec Mpc)]  B h 2 = 0.02 h = 0.71

10 Planck‘s Schwarz-Körper-Strahlung

11

12 Entkopplung der Neutrinos und der Kosmische Neutrino-Hintergrund Für masselose  massive Neutrinos: 

13 Bei welcher Temperatur entkoppeln die Neutrinos? Expansionsrate des Universuns: H=(da/dt)/a Wechselwirkungsrate:  n e-e+

14 Neutrino-Entkopplung   /H = ( k B T/ 1MeV) 3 ~ 1 T(Neutrinos) Entkopp. ~ 1MeV ~ Kelvin; heute: 1.95 K Zeit nach dem Urknall: 1 Sekunde T(Photons) decoupling = 3000 Kelvin; today: K Time(Photons) decoupling = years Below T = 1 MeV:

15

16 Materiedominiert:  ~ 1/a 3 ~ T 3 (Energie=Massen)-Dichte des Universums log  a(t)~1/T Dunkle Energie 1/Temp 1 MeV, ~1sec 1 eV 5x10 4 y heute 3000 K x10 9 y  K 1.95 K Strahlungsdominiert:  ~ 1/a 4 ~ T 4 ; Stefan-Boltzmann

17 (Energy=Mass)-Density of the Universe log  a(t)~1/T Matter dominated:  ~ 1/a 3 ~ T 3 Dark Energy 1/Temp 1 MeV ~1sec  dec. 1 eV 5x10 4 y today 3000 K y  dec. 8x10 9 y  K 1.95 K

18 Hamburg, March (Bild) Results from Oscillations: No Hierarchy, no absolute Mass Scale Fogli, Lisi, Marrone, Palazzo: Phys. Rev. D86 (2012)

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

20 Masse des Elektron-Neutrinos im Tritium-Zerfall (Mainz + Troitsk) With:

21 Messung der oberen Grenze der Neutrino- Masse in Mainz: m < 2.2 eV 95% C.L. Kurie-Plot Q = keV m 2 >0 m 2 <0 Elektronen-Energie Eur. Phys. J. C40 (2005) 447

22 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

23 Fourier-Transformation der Massenverteilung:

24  0 = 1.0   = 0.66  b = 0.04 h = 72 n s = 0.94  = Cosmic Background Radiation n S = Potenz der für Fluktu- aktion k**n S nach inflationärer Expansion.

25  0 = 1.0   = 0.66  b = 0.04 h = 72 n s = 0.94  =

26 Neutrino-Masse aus Kosmologie

27 Wie kann man den Kosmischen Neutrino-Hintergrund nachweisen? 1.Anihilation of extreme high energy neutrino with low energy relic neutrino into Z 0 burst above GZK. 2. Free floating divided cylinder with neutrino absorber and neutrino non-absorbing material. 3. Electron-Neutrino capture on Tritium (KATRIN).

28 relic 1.95 Kelvin D GZK =50Mpc 1.Vernichtung von Kosmischen Neutrinos mit sehr hoch energetischen Antineutrinos > eV Z0Z0 Über GZK Vernichtung unterhalb der Greisen-Zatsepin-Kuzmin Distanz von 50 Mpc m  = 1.0 and 0.1 eV Antineutrino E = 4x(10 21 to ) eV m = 1 eV m = 0.1 eV

29 Kosmische Strahlung vom Z-Burst erwartet bei eV Oberhalb GZK

30 2. Magnetisch frei schwebender Zylinder mit zur Hälfte  absobierendes Material Permanent - Magnet Superaleitender Magnet Zylinder - Form Eine Hälfte 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.

31 3. Suche nach dem Kosmischen  Unter- grund durch den Tritium-Beta-Zerfall. Kurie-Plot des Beta- und induzierten Beta- Zerfalls: (CB ) + 3 H(1/2 + )  3 He (1/2 + ) + e - Elektron Energie 2xNeutrino- Masse Emittierdes Elektron Q = keV Unendlich gute Auflösung Auflösung Mainz: 4 eV  m < 2.3 eV Auflösung KATRIN: 0.93 eV  m < 0.2 eV 90% C. L. Fit der Parameter: m 2 und Q value meV Zusätzlicher Fit: nur Intensität der C B

32 Tritium Beta-Zerfall: 3 H  3 He+e - + c e

33 Neutrino-Einfang: (relic) + 3 H  3 He + e - 20  g(eff) Tritium  2x10 18 T 2 -Moleküle: -Einfänge KATRIN = 1.7x10 -6 n e / [Jahr -1 ] Alle Jahre ein Einfang! Für = 56 cm -3

34 Hope Number of Events with average Electron-Neutrino Density of n e   Electron-Neutrinos/cm 3 ] KATRIN: 1 Count in Years Gravitational Clustering of Cosmic Background Neutrinos in our Galaxy.

35 Hoffnung: Zahl der Einfänge bei mittlerer Neutrinodichte: n e   Electron-Neutrinos/cm 3 ] KATRIN: 1 Count in Years Gravitative Anziehung der Kosmischen Hintergrund-Neutrinos in unserer Galaxie.

36 Gravitative Ansammlung von Neutrinos R.Lazauskas,P. Vogel and C.Volpe, J. Phys.g. 35 (2008) ; Light neutrinos: Gravitieren nur in 50 Mpc (Galaxy Cluster): n / ~ n b / ~ 10 3 – 10 4 ; = cm -3 A. Ringwald and Y. Wong: Vlasov trajectory simulations. Einfang in einer Galaxie (30 kpc to 1 Mpc) n / = n b / ~ 10 6 ; (R = 30 kpc) N capture(KATRIN) = 1.7x10 -6 n / (year -1 ) = 1.7 [counts per year] Effective Tritium Source: 20 microgram  2 milligram N capture(KATRIN*) = 1.7x10 -4 n / (year -1 )= 170 [counts/year];

37 20 Mikrogramm  2 Milligramm Tritium Solch eine Erhöhung der Tritium-Quellstärke ist mit einem KATRIN-Typ Spektrometer (wahrscheinlich) nicht möglich!

38 Source Beschränkungen der Tritium-Quelle 1)The decay electrons should not scatter by the Tritium gas. Beam Tritium Gas Magnetic Field 3.6 Tesla d Nach der mittleren freien Weglänge haben 36 % der Elektronen nicht gestreut. Optimale Säulendichte etwas unter  d free /2 Zahl der Tritium-Atome in Säule d = Säule-Dichte d  Troitsk: 30%; Mainz: 40%; KATRIN: 90%

39 Wieviele Elektronen streuen nicht in der Tritium-Gas-Quelle ? (  *d) free = 1/  (e  tritium) Mittlere freie Weglänge:  = 1/(  *  ) = d free KATRIN Design Report Nach nur 36% Der e - haben nicht gestreut.

40 2) Erhaltung des Magnetischen Flusses: Da man die Quellstärke pro Fläche nicht erhöhen kann, erhöht man die Fläche um einen Faktor 100 von 53 cm 2 auf 5000 cm 2. Magnet. Fluß: (A i =5000 cm 2 ) x (B i =360 Gauss) = 190 Tesla cm 2 = A f x (3 Gauss) A f = 63.6 m 2  Spectrometer-Durchm. = 9 Meter Magnet. Fluß: (A i =5000 cm 2 ) x (B i =3.6 Tesla) = Tesla cm 2 = A f x (3 Gauss); A f = m 2  Spektro-Durchm. = 90 Meter

41 KATRIN Spektrometer-Tank auf dem Weg vom Rhein zum KIT- Nord Karslsruhe Ein Riese unterwegs

42 Kompromiere den Elektron-Zyclotron –Strahl mit Durchmesser 80 cm zum Durchmesser = 8 cm des Transportkanals durch Erhöhung des Magnetfeldes von  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.

43 3 H-Quelle, Spektrometer und Detektor Erhaltung des magnet. Fusses: Fläche*Magnetfeld; Elektron-Impuls p e ; Auflösung:  E = E f perpendicular B(Quelle) = 3.6*10 4 Gauss (Fläche der Quelle)~ 50 cm 2 B(Spectro) = 3 Gauss Fläche(Spectro) = 63.6 m 2 KATRIN Design Report

44 3) Energieauflösung  E~ 1 eV  = = 0.5 % Beam direction  max (electrons) = 5.7° p parallel P perpendicular

45 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)

46 Zusammenfassung 1 Der Kosmische Mikrowellen- Hintergrund erlaubt das Universum Jahre nach dem Urknall. Der Kosmische Neutrino-Untergrund 1 sec dem Urknall.

47 2xNeutrino Masses Emitted electron Kurie-Plot Electron Energy Zusammenfassung 2 1.Mittlere Dichte: n e = 56 [ Elektron-Neutrinos/cm -3 ] Katrin: 1 Einfang in Jahren Gravitative Clusterbildung der Neutrinos in unserer Galaxie: n / < 10 6  1.7 Einfänge/Jahr (20  g->2 mg 3 H  170 pro Jahr) 2. Messe mit KATRIN jedoch obere Grenze von n e ENDE


Herunterladen ppt "Suche nach der Kosmischen Neutrino-Strahlung und KATRIN. Amand Faessler Universität Tübingen Publikation: Amand Faessler, Rastislav Hodak, Sergey Kovalenko,"

Ähnliche Präsentationen


Google-Anzeigen