Neutrinomasse Motivation und Einführung Heidelberg Moscau KATRIN Experiment Zusammenfassung Literaturverzeichnis

Bestimmung der Neutrino-Masse: Heidelberg Moskau Experiment und KATRIN Emil Pavlov

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Inhaltsverzeichnis 1 2

3 4

5 6

Neutrinomasse Motivation und Einführung Teilchenphysik Astrophysik β -Zerfall Heidelberg Moscau KATRIN Experiment Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport Zusammenfassung Literaturverzeichnis Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Neutrinooszilationen Hinweise auf massive Neutrinos m ≥ 0.04 − 0.07 eV

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Neutrinomasse Keine absolute Skala

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Neutrinomasse Keine absolute Skala Massenhierarchie

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Neutrinomasse Keine absolute Skala Massenhierarchie

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Teilchenphysik Astrophysik β -Zerfall

Teilchenphysik

Im Standard Model - keine Masse Einzige Fermionen mit unbekannte Masse Überprüfung von Modelle

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Teilchenphysik Astrophysik β -Zerfall

Astrophysik Kandidat für Hot Dark Matter (HDM) Evolution von Large Scale Structures (LSS)

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Teilchenphysik Astrophysik β -Zerfall

Astrophysik Kandidat für Hot Dark Matter (HDM) Evolution von Large Scale Structures (LSS)

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Teilchenphysik Astrophysik β -Zerfall

β -Zerfall

n → p + e + ν¯e

unterbestimmtes Problem 3 Tochterteilchen 2 Erhaltungsgröÿe

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Teilchenphysik Astrophysik β -Zerfall

β -Zerfall

n → p + e + ν¯e

unterbestimmtes Problem 3 Tochterteilchen 2 Erhaltungsgröÿe

kontinuerlisches Spektrum

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Teilchenphysik Astrophysik β -Zerfall

Methode zur Bestimmung der Neutrinomasse

Neutrinolose Doppeltbetazerfall (Heidelberg Moscau) Normale Beta-Zerfall (KATRIN)

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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ββ 2ν -Zerfall

2n → 2p + 2e − + 2ν¯e lange Lebensdauer 1020 a

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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ββ 2ν -Zerfall

2n → 2p + 2e − + 2ν¯e lange Lebensdauer 1020 a kontinuerlisches Spektrum

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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ββ 0ν -Zerfall

2n → 2p + 2e − + 0ν¯e Neutrino indentisch mit anti-Neutrino Majorana Typ

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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ββ 0ν -Zerfall

2n → 2p + 2e − + 0ν¯e Neutrino indentisch mit anti-Neutrino Majorana Typ Peak bei Endpunktenergie

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Helizität

h = ~S · |~pp~|

Antineutrinos rechtshändig, Neutrinos linkshändig

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Helizität

h = ~S · |~pp~|

Antineutrinos rechtshändig, Neutrinos linkshändig Γ ∝ mν−2

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Resultate Endpunktenergie von 76 Ge = 2039 keV Neutrinomasse 0.2 − 0.5 eV Bild: H. V. KLAPDORKLEINGROTHAUS and I. V. KRIVOSHEIN, Modern Physics Letters A, Vol. 21, No. 20 (2006) 1547 Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Kinematik des β -Zerfalls

Absolute Bestimmung der Masse Einfache Kinematik - Energieerhaltung Modelunabhängig

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Energiespektrum

dNe dEe

∝ pe ·

Ee + me c

2




q · (E0 − Ee ) (E0 − Ee )2 − mν2 c 4

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Vorherige Experiment

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Aufbau

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Aufbau

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Aufbau

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Aufbau

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Aufbau

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Radioaktive quelle

Tritium: groÿe Aktivität (Lebensdauer 12,3 a) niedrige Endpunktenergie (≈ 18, 6 keV) Spiegelkerne

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Radioaktive Quelle Temperatur 27 K ± 3 mK Isotropenreinheit > 95% 5× 1019 Molekulen/s ±0, 1% (40 g T2 /Tag) ∆p = 10−6 mbar

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Dierential Pumping Section

Reduzierungsfaktor 107

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Cryogenic Pumping Section

Reduzierungsfaktor 107

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

MAC-E Filter

p2 µ = 2m⊥e B = const min ∆E = BBmax E= 0, 93 eV

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

MAC-E Filter

p2 µ = 2m⊥e B = const min ∆E = BBmax E= 0, 93 eV

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Magnetischer Spiegel

sinθmax =

r

Bs Bmax

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Transmissionfunktion

Integrierender Hochpasslter

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Ausgangssignal

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Ausgangssignal

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Ausgangssignal

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Spektrometer

Emil Pavlov

Neutrinomasse

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Detektor PIN Dioden Energieauösung 600 eV Ortsauösung Inhomogenitäten des Verzögerungspotentials Homogenität der Tritium-quelle Hintergrund von auÿerhalb des gewünschten Magnetfeldes

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Simulierter Spektrum Nachbeschleunigung → kleinerer Untergrund

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Simulierte Messung

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Transport

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Transport

Emil Pavlov

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Theoretische Grundlagen Aufbau Simulation Transport

Transport

Emil Pavlov

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Zusammenfassung

Direkte Bestimmung der Neutrino Masse Eine groÿe Ordnung besser als die bisherige Ergebnisse 5σ -Entdeckungspotetial für mν bis 0, 35 eV Obere Grenze von 0, 2 eV mit 90% C.L. Überprüfung der Daten von Heidelberg Moskau Schritt zur Physik über SM

Emil Pavlov

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DANKE FüR DIE AUFMERKSAMKEIT

Emil Pavlov

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Literaturverzeichnis I Katrin Colloboration, Design Report, 2004 Introduction to direct neutrino mass measurements and KATRIN by Thomas Thümmler, XXIV International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, Athens, Greece, June 14 - 19, 2010 The KATRIN Experiment by Christian Weinheimer, Launch09: Neutrinos and Beyond, Heidelberg, Germany, June 9 - 12 absolute neutrino mass by Guido Drexlin, Launch09: Neutrinos and Beyond, Heidelberg, Germany, June 9 - 12

Emil Pavlov

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Literaturverzeichnis II Detecting Neutinos by RGH Robertson, Summer School on Nuclear and Particle Astrophysics (INT 2009), Seattle (USA), Jun 29 - Jul 10, 2009 Note: Intro to KATRIN and related experiments! NOT Detecting Neutinos by RGH Robertson, Summer School on Nuclear and Particle Astrophysics (INT 2009), Seattle (USA), Jun 29 - Jul 10, 2009 Note: Further Intro to non-acc. neutrino experiments!

Emil Pavlov

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Literaturverzeichnis III The KATRIN neutrino mass experiment & vacuum considerations by Joachim Wolf, talk at Int.Conf. on Technology & instrum. in part.-physics (TIPP09), Tsukuba (Japan), Mar 11-17, 2009 Note: Required login information is provided! Designstudien fuer das KATRIN Experiment Diploma thesis, B. Flatt, Mainz, 2001 Robert Boge, Neutrinomasse, Seminar SS 09 H. V. KLAPDOR-KLEINGROTHAUS and I. V. KRIVOSHEIN, Modern Physics Letters A, Vol. 21, No. 20 (2006) 1547 Wikipedia, general references Emil Pavlov

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