Der doppelte Beta-Zerfall

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

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 • 5 Detektoren • 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 1.000.000 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

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