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

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

Beta-Zerfall

Übergänge Bahndrehimpulsänderung bei erlaubten Übergängen 0 Spinänderung 0 oder 1

Doppelter Betazerfall Zweineutrinozerfall: Neutrinoloser Zerfall: Zerfall mit Bosonenemission:

Feynman-Graphen

Energien

Zweineutrino-Zerfall Übergangsmatrix M

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

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

Elektronenenergie

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

Background

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

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

Massensensitivität Mit Background Ohne Background

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

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

Heidelberg-Moscow

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

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

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

Aufbau

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

Energiespektrum

Gotthard-Tunnel-Laboratorium 1460m tief ≈ Abschirmung durch 3700m Wasser Neutronen praktisch abgeschirmt Myonen um den Faktor 1.000.000 geschwächt

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

Aufbau TPC innerhalb eines Kupferkessels Weitere Bleischicht zur Backgroundreduktion

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

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

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

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

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

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

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

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:

Aufbau mit gasförmigem Xenon

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

Aufbau mit flüssigem Xenon

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