Preizkus Karlsruhe Tritium Neutrino

Vakuumski rezervoar na težkem žerjavu po tem, ko so ga prestavili na dva sklopljena nakladalnika

Prevoz skozi mestece Leopoldshafen

preizkus Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) ima za cilj neposredno določiti maso elektronskega anti-neutrina. Instrument so jeseni 2015 sestavili na Tehnološkem institutu Karlsruhe , meritve so se začele 11. junija 2018 s svečano otvoritvijo. Proračun znaša 60 milijonov evrov, načrtovani čas za meritve je pet let. Sodeluje približno 200 znanstvenikov iz petih držav in dveh celin.

KATRIN naj bi beta spekter elektronov, nastalih pri razpadu tritija v He-3, izmeril na območju največje energije z občutljivostjo 0,2 eV. To pomeni, da bo preizkus KATRIN za velikostni red presegel dosedanje podobne poskuse v Mainzu in Trojckem; ki so za zgornjo mejo mase nevtrina dali vrednost 2 eV.

Cilj projekta

V standardnem modelu fizike osnovnih delcev so za znane vrste nevtrinov ν_e, ν_μ in ν_τ sprva domnevali, da so brez mase. Različni poskusi z nevtrini iz ozračja (-Kamiokande), sonca (GALLEX, Homestake, SNO, Borexino) in reaktorjev (Daya Bay, Double-Chooz, RENO) kažejo, da je masa nevtrinov različna od nič. Vsi ti poskusi dokazujejo oscilacije nevtrinov in zato merijo kvadrat razdalje mas, kot so $\Delta m_{21}^{2}$ in $\Delta m_{23}^{2}$, ne pa tudi absolutne mase delcev. Eksperimenti, kot je KATRIN in njegovi predhodniki, po drugi strani omogočajo določanje absolutnih mas $m_{1,2,3}$ za tako imenovana lastna stanja mas, ki so preko matrike mešanja stanj Maki-Nakagawa-Sakata povezana z merljivimi masami nevtrinov e, µ in τ

Natančna masa nevtrinov igra vlogo pri tehtanju med številnimi različnimi modeli, s katerimi se skuša onkraj okvira dosedanjega standardnega modela nevtrinom dati maso. Rezultat gotovo igra vlogo tudi v kozmologiji pri vprašanju, v kolikšni meri so nevtrini kot " vroča temna snov " (HDM) prispevali k oblikovanju struktur z dimenzijami vesolja.

Poznavanje mase enega od treh lastnih stanj bo omogočilo tudi odločiti, katera od treh različic masnega spektra nevtrinov velja:

• Normalna hierarhija: $m_{1}<m_{2}\ll m_{3}$
• Invertirana hierarhija: $m_{3}\ll m_{1}<m_{2}$
• Kvazi-degenerirana hierarhija: $m_{1}\approx m_{2}\approx m_{3}\approx m_{0}\quad {\text{mit}}\;m_{0}=0{,}10\,{\text{eV}}$

KATRIN je tako prvi preizkus, ki se loteva območja kvazi-degenerirane hierarhije.

Izvedba

Spekter beta razpada tritija

Izračunani energijski spektri elektronov, ki nastanejo med beta razpadom tritija, za tri različne mase nevtrinov
(rdeča 1 eV; zelena 0,3 eV; modra: brez mase)
Krivulje se razlikujejo le na območju največje energije: kje je končna točka in kakšna je oblika krivulje pred njo, je odvisno odvisna od mase nevtrina. Pri KATRIN se meri območje okoli te končne točke.

Izhodišče eksperimenta je beta razpad plinastega tricija, pri katerem nastane en elektron in en elektronski anti-neutrino. Energija razpada 18,6 keV si delita na novo nastalo jedro in oba oddana delca (glej kinematiko); vendar hčerinsko jedro zaradi razmeroma velike mase prejme le zanemarljivo majhen delež. Če je nevtrino brez mase, je spodnja meja za energijo nevtrina enaka nič, energijski spekter oddanih elektronov pa sega do polne energije razpada 18,6 keV. Če pa je po drugi strani masa $m_{\nu }$ in s tem mirovna energija nevtrina večja od nič, mora elektron biti "prikrajšan" za to energijo. Z natančnim merjenjem spektra na področju največje energije (18,6 keV) je mogoče primerjati za $m_{\nu }=0$ izračunano krivuljo z izmerjeno krivuljo in tako določiti maso nevtrina.

Spektrometer

Za eksperiment so zanimivi le tisti elektroni, ki zapustijo tritij s skoraj polno energijo razpada. Njihove energije okoli 18,6 keV je treba meriti in razlikovati z ločljivostjo pod ! eV, to je približno 1/20000 ali 5 · 10 ⁻⁵. T enostavnimi detektorji delcev to ni mogoče doseči. Zaradi tega se pred dejanskim detektorjem uporabljata dva spektrometra, nameščena drug za drugim, tako imenovana MAC-E filtra (Magnetna adiabatska kolimacija v kombinaciji z elektrostatičnim filtrom). S pomočjo nastavljive nasprotne napetosti izločata vse elektrone nad ustrezno energijo in poskrbita za energijsko odvisno prostorsko porazdelitev preostalih elektronov. Posledica je. da do detektorja pridejo le elektroni z energijo, ki je z nasprotno napetostjo natančno nastavljena na področje okoli1 eV. V primerjavi z drugimi vrstami beta spektrometrov filtre MAC-E odlikuje njihova posebno visoka svetilnost.

V manjšem pred-spektrometru je nasprotna napetost približno -18 kV, ki pretok elektronov že močno zmanjša z zavračanjem počasnejših elektronov. Tako lahko glavni spektrometer, razbremenjen nezanimivih elektronov, nato doseže omenjeno ekstremno ločljivost.

V spektrometru MAC-E dve tuljavi, postavljeni aksialno ena za drugo na določeni razdalji, ustvarjata magnetno polje.Poljske linije se v prostoru med tuljavama razmaknejo in zapolnijo celotno površino velikega preseka, tako da je tam gostota magnetnega polja $B$ ustrezno zmanjša. Sposobnost spektrometra razločevali energije $E$ je enaka razmerju med najmanjšo in največjo gostoto magnetnega polja:

${\frac {\Delta E}{E}}={\frac {B_{\mathrm {min} }}{B_{\mathrm {max} }}}$

Zmanjšati $B$ za faktor 1/20000, se mora razpoložljivi prerez med tuljavama povečati za faktor 20.000; kar pojasnjuje velike dimenzije glavnega vakuumskega rezervoarja s spektrometrom (premer 10 m).

Napetost v glavnem spektrometru se za merjenje spektra spreminja znotraj območja -18,6 kV in število dospelih elektronov se meri v odvisnosti od napetosti. Glavni spektrometer uporablja superprevodne magnetne tuljave z gostoto magnetnega polja vsaj 6  Tesla.

Detektor

Silicijev polprevodniški detektor, ki se uporablja za detekcijo elektronov, doseže le energijsko ločljivost 200 eV. Zaradi predhodne izbire energije na tem mestu ni potrebna posebno visoka ločljivost, nižja ločljivost poleg tega pomaga pri zatiranju ozadja.

Pretok elektronov filtra zmanjšata z 10¹⁰ elektronov/s pri viru tritija na približno 1 elektron/s na detektorju. Da bi dosegli smiselne rezultate, je potrebnih več trimesečnih merilnih obdobij, pri tem pa stalno meriti proti-napetost v spektrometru z natančnostjo nekaj dnm.

Izključitev elektronov iz ozadja

Elektroni, ki niso plod razpada beta tritija, temveč jih na primer sekundarni kozmični žarki izbijajo iz sten rezervoarja, lahko kvarijo meritev. Da bi zmanjšali njih delež, je glavni spektrometer v celoti obložen z dvojno zaščitno elektrodo. Napetost, ki deluje na te elektrode, je nekoliko nižja od napetosti, ki deluje na steno rezervoarja, to je približno -18,6 kV v primerjavi z -18,4 kV na steni. Ta proti-napetost upočasni elektrone, ki se sproščajo iz sten, in jim prepreči, da bi prišli v detektor.

Rezultati

Poskus KATRIN so gradili do leta 2016. V tem času so začeli delovati posamezni sestavni deli in izvajale so se testne meritve. Jeseni 2016 so skozi celoten poskus prvič spustili elektrone iz kalibracijskih virov (First Light, kot je pri astronomskih observatorijih navada imenovati to obdobje v življenju instrumenta). Sledila je merilna kampanja poleti 2017 z namenom, testirati delo naprave z razpadom ^83mKr in preveriti najpomembnejših lastnosti eksperimenta (energijsko ločljivost, stabilnost napetosti spektrometra itd.).

Prve meritve v želenem načinu delovanja z zmanjšano količino tritija tečejo od maja 2018. 11. junija 2018 je bil eksperiment KATRIN slavnostno zagnan. V prvi publikaciji z 13. septembra 2019 je masa nevtrinov omejena na največ 1,1 eV.

Zgornja meja mase je po drugem krogu meritev največ 0,8 eV.

Razno

Transportna pot vakuumskega rezervoarja KATRIN

Poskus je potekal na tehnološkem inštitutu Karlsruhe, saj je laboratorij za tritij v kampu KIT Sever (nekdanji raziskovalni center Karlsruhe) , kjer je edino skladišče tritija v Evropi, ki je primeren za poskus. 200 t težek, 24 m dolg vakuumski rezervoar s premerom 10 m za glavni spektrometer KATRIN so izdelali v Deggendorfu v podjetju MAN DWE .

Rezervoar je bil za prevoz po avtocesti od Deggendorfa ob Donavi do Karlsruheja prevelik - kopenska pot bi bila približno 350 km. Tudi za kanal Majna-Donava je bil rezervoar zaradi največje dovoljene višine 6 m previsok za to možnost transporta po vodi. Namesto tega je moral rezervoar prepotovati 8600 km dolgo pot po Donavi, čez Črno orje, Sredozemlje, Atlantik, Rokavski preliv, Severno morje in nazadnje po Renu do mesta Leopoldshafen v bližini Karlsruheja. 25. novembra 2006 je rezervoar v štirih urah in pol prepotoval še zadnjih 6.8 km do svojega cilja.

Glej tudi

• Fizika astro delcev
• Fizika delcev
• MARE: Mikrokalorimetrski nizi za eksperiment z renijem

Literatura

• KATRIN Sodelovanje: KATRIN Design Report 2004. Raziskovalni center Karlsruhe, poročilo FZKA-7090 (2005), ISSN 0947-8620 (spletni PDF, brezplačno, 249 strani, 9.3 MB).
• Joachim Wolf: KATRIN eksperiment za maso nevtrinov. V: Jedrski instrumenti in metode v fizikalnih raziskavah, letnik 623 (2010) str. 442-444. (1. mednarodna konferenca o tehnologiji in instrumentaciji v fiziki delcev) na spletu, za plačilo
• M. Aker in sod (KATRIN), Prvo delovanje poskusa KATRIN s tritijem , 2019, arXiv: 1909.06069
• M. Aker in sod (KATRIN), Izboljšana zgornja meja mase nevtrinov z neposredno kinematično metodo po KATRIN , Phys. Rev. Lett. 123, 221802 (2019)

Spletne povezave

• Domača stran eksperimenta KATRIN
• Video prevoza spektrometra KATRIN in prihoda v Karlsruhe na YouTubu
• Galileo -Reportaža o delovanju KATRIN po zagonu na YouTubu
• Domača stran eksperimenta z nevtrini v Mainzu Arhivirano 2018-02-16 na Wayback Machine.
• Domača stran nevtrinskega poizkusa v Trojitskem
• Die Welt: Kako lahko nevtrini razložijo naš obstoj
• Rezultati junij 2019
• Rezultati septembra 2019