neutrinos: kosmische leichtgewichte auf der waagschale …1).pdfhat eine sehr, sehr große...
Post on 16-Jul-2020
6 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 1
Neutrinos:
Kosmische Leichtgewichte auf der
Waagschale von KATRIN
•Neutrinos, ihre Masse & das Universum
•KATRIN – eine Waage für Neutrinos
am Forschungszentrum Karlsruhe
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 2
Wolfgang Pauli
„Man denk am Besten gar nicht darüber nach,
wie über die neuen Steuern.“
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 3
1920-1930
L. Meitner und E.Ellis messen in
den 20er Jahren unabhängig die
Energien der emittierten
Elektronen. Ihre Messergebnisse
stehen in krassem Widerspruch
zur Erwartung.
+ Energieerhaltungssatz
+ Impulserhaltungssatz
Untersuchungen an radioaktiven Substanzen,
die Elektronen emittieren (Beta-Strahler)
Erwartung
Messung
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 4
Zusätzlich zum Elektron
wird noch ein weiteres
Teilchen aus dem Kern
emittiert:
ein NEUTRINO…
Wolfgang Pauli
Nils Bohr
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 5
• elektrisch neutrales Teilchen
• sehr große Reichweite in
Materie
• Spin ½
• Masse? Falls ja sehr gering
„Meine lieben Radioaktiven testet es und stellt es richtig.“
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 6
Neutrinos sind als Elementarteilchen im Standardmodell
etabliert
und gehören zu den uns bekannten Bausteinen der Materie
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 7
1934 Enrico Fermi entwickelt Theorie, in das Neutrino
eingebettet ist (schwache Wechselwirkung).
1935 Hans Bethe berechnet die Wahrscheinlichkeit
ein Neutrino im Experiment nachzuweisen.
Demnach benötigt es einen Absorber von 1021 cm,
um 1 Neutrino zu stoppen!
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 8
1934 Enrico Fermi entwickelt Theorie, in das Neutrino
eingebettet ist (schwache Wechselwirkung).
1935 Hans Bethe berechnet die Wahrscheinlichkeit
ein Neutrino im Experiment nachzuweisen.
1956 Reines & Cowan gelingt der experimentelle
Nachweis der Neutrinos an einem Kernreaktor.
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 9
Nachweis von Teilchen, die sich kaum bemerkbar machen
„Bremsweg“ von Neutrinos in Wasser:
- bis zum Zentrum unser Milchstraße
- Unser Körper wird jede Sekunde von über
100 Milliarden Neutrinos von der Sonne
durchströmt !
Moderne Neutrino-Detektoren:
- starke Neutrino-Quellen (Sonne,
kosmische Strahlung, Fusions-Reaktoren,
Supernovae,…)
- riesige Detektoren !
Neutrino-Detektor SuperKamiokande
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 10
ist ein Elementarteilchen.
ist elektrisch neutral.
hat eine sehr, sehr große Reichweite in
Materie und eine kaum nachweisbare
Wechselwirkung mit Materie.
gibt es in 3 verschiedene Sorten, die sich
ineinander umwandeln können (Neutrino-
Oszillationen).
hat eine sehr kleine, aber unbekannte Masse.
Ein Neutrino ...
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 11
Neutrinos:
Kosmische Leichtgewichte auf der
Waagschale von KATRIN •Was sind Neutrinos?
•Neutrinos, ihre Masse & das Universum
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 12
Teilchenphysik
Kosmologie Astrophysik
Neutrino-
masse
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 13
12 Elementarteilchen als
Bausteine der Materie.
Warum sind die Neutrinos so
viel leichter als die anderen?
Massenschema der Elementarteilchen
Sind die drei Neutrinosorten
überhaupt unterschiedlich
schwer?
1. Teilchenphysik
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 14
Über 300
Neutrinos pro cm³
sind heute noch
vom Urknall übrig.
Tragen diese
Neutrinos zur
Gesamtmasse des
Universums bei?
2. Astrophysik
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 15
3. Kosmologie
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 16
Simulation
Schwere Neutrinos beeinflussen
Strukturbildung!
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 17
Neutrinos:
Kosmische Leichtgewichte auf der
Waagschale von KATRIN •Was sind Neutrinos?
•Neutrinos, ihre Masse & das Universum
•KATRIN – eine Waage für Neutrinos
am Forschungszentrum Karlsruhe
Das KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 18
Wie wiegt man Neutrinos ?
2
0 cmE
Wenn das Neutrino eine Masse besitzt,
fehlt dem Elektron mindestens,
diese Ruheenergie E0.
Messung der Elektronenenergie Neutrinomasse
„Energie = Masse“
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 19
Wie wiegt man Neutrinos ?
~ 1/1000 des
gesamten
Energiebereiches
~ Ein Milliardstel
aller Zerfälle
Präzise Messung der
Elektronenenergie gibt Aussage
über Neutrinomasse -Masse = 0
-Masse ≠ 0
E=mc²
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 20
Prinzip der Energiemessung der Elektronen
Elektron mit
hoher Energie
(z.B.: 18750 eVolt)
Elektron mit
niedriger Energie
(z.B.: 18000 eVolt)
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 21
Prinzip der Energiemessung der Elektronen
Elektron mit
hoher Energie
(z.B.: 18750 eVolt)
Elektron mit
niedriger Energie
(z.B.: 18000 eVolt)
Spannung -18 600 Volt
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 22
Und im richtigen Leben
Elektron mit
hoher Energie
(z.B.: 18750 eVolt)
Elektron mit
niedriger Energie
(z.B.: 18000 eVolt)
Spannung -18 600 Volt
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 23
Tritiumquelle Transportsystem Spektrometer Detektor
70 m
Führung der Zerfallselektronen von Quelle zum Detektor mit starken Magnetfeldern
~30 supraleitende Magnete
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 24
Zerfallszeit von ~ 12 Jahren
Niedrige Zerfallsenergie
Verfügbar als Feststoff und in Gasphase
Tritium 31H
Isotop des Wasserstoffes.
Beta-Strahler mit Anwendungen :
• Biomedizin
• Leuchtstoff in Uhren etc …,
• Brennstoff für Fusionsreaktoren
• militärische Anwendungen -> strenge
Lizenzauflagen in Europa & USA
Tritium
Helium
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 25
Das KArlsruhe Tritium Neutrino Experiment
Tritiumquelle Transportsystem Spektrometer Detektor
Intensität der Quelle
Stabilität der Quelle
Gasreinheit
10 Trillionen Tritium-Moleküle
10 Mrd. Elektronen / Sek.
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 26
Das KArlsruhe Tritium Neutrino Experiment
Tritiumquelle Transportsystem Spektrometer Detektor
hohe Pumpleistung
Zuverlässigkeit
10 Trillionen Tritium-Moleküle
10 Mrd. Elektronen / Sek.
< 9 Tritium-Moleküle/cm³
10 Mrd. Elektronen / Sek.
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 27
Das KArlsruhe Tritium Neutrino Experiment
Tritiumquelle Transportsystem Spektrometer Detektor
Ultra-Hochvakuum p<10-11 mbar
10 Trillionen Tritium-Moleküle
10 Mrd. Elektronen / Sek.
< 9 Tritium-Moleküle/cm³
10 Mrd. Elektronen /Sek. 1000 Elektronen / Sek
Hochspannungs-Präzision
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 28
Das KArlsruhe Tritium Neutrino Experiment
Tritiumquelle Transportsystem Spektrometer Detektor
10 Trillionen Tritium-Moleküle
10 Mrd. Elektronen / Sek.
< 9 Tritium-Moleküle/cm³
10 Mrd. Elektronen /Sek. 1000 Elektronen / Sek 1 Elektronen / Sek.
Nachweis einzelner Elektronen,
elektronische Verarbeitung sehr
kleiner Signale
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 29
Technischen Herausforderungen •Tritium-Handling
•Vakuumtechnik
•Supraleitende Magnete
•Kryotechnik
•Experimentüberwachung
und Steuerung
•Messtechnik (Hochspannungsmessung,
Elektronenkanonen …)
•…
Abteilungs-, Fakultäts-, Institutsbezeichnung 30
Faszination Neutrinophysik: Schlüssel zu Teilchenphysik, Astrophysik & Kosmologie
KATRIN: Experiment zum Lüften des Geheimnisses der Neutrinomasse
Messergebnis hat weitreichende Konsequenzen für unser heutiges Verständnis der Astrophysik, Kosmologie & Teilchenphysik
Spitzenforschung im interdisziplinären Verband und internationaler Kollaboration am KIT notwendig zum Lösen der experimentellen Aufgaben
top related