Neutrinoexperimente

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Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann
Kein GFDL Der Artikel Neutrinoexperimente basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Moritz Schubotz des 14.Kapitels (Abschnitt 0) der Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann.
Neutrinoexperimente Neutrinoexperimente

Inhaltsverzeichnis
  1. Kernphysik Einleitung
  2. Kernradien
  3. Bindungsenergien
  4. Tröpfchenmodell, Weizsäckersche Massenformel
  5. Kerndrehimpulse und elektromagnetische Kernmomente
  6. Messung von Kernmomenten
  7. Das Schalenmodell des Kerns
  8. Kernkräfte
  9. Kernzerfälle, Strahlenschutz
  10. Abschirmung radioaktiver Strahlung
  11. Alpha-Zerfall
  12. Beta-Zerfall
  13. Gamma-Zerfall
  14. Neutrinoexperimente
  15. Paritätsverletzung beim beta-Zerfall
  16. Schwache Zerfälle von Pionen und Myonen
  17. Synchrotron- und Laserstrahlung



a) indirekt über Rückstoßkern b) direkt über inversen ß-Zerfall

Rückstoßexperimente

Am besten Elektroneneinfang wegen 2-Körperproblem, gut geeignet z.B.

e^- + {}^{37}\text{Ar}\underset{35d}{\to} {}^{37}Cl + \nu (freies Edelgasatom in einer Gaszelle) mit Eν = 810keV

Rückstoßenergie durch Flugzeitmessung: Rückstoßgeschwindigkeit v: Mv = P_\nu = E_\nu/c, v/c = E_\nu/Mc^2= 8,1\times10^5 eV/37\times10^9 eV \approx 2\times10^{-5}\to v = 6\times10^5 cm/s

Exp. von Rodeback und Allen [1] durch Koinzidenz von dem schnellen Augerelektronensignal (Startsignal) und dem (verzögerten) Ionensignal (37Cl + ), das bei einer Wegstrecke von z.B. l = 6cm eine Flugzeit von t = l/v = 6 cm/6\times10^5 cm s^{-1} = 10 \mu s benötigt.

Inverser ß-Zerfall

aus \begin{align} p & \to n+e^+ +\nu \\ \tilde \nu + p & \to n+e^+ \end{align} inverser ß-Zerfall, E_0\approx E_{\tilde \nu}

Wirkungsquerschnitt für E_{\tilde \nu} \approx MeV \sigma \approx 10^{-48} m^2

(\sigma ~E_{ \nu} ^2 z.B. E_{ \nu} \approx GeV \to \sigma\approx 10^{-42} m^2)


Bedeutung von σ

Festkörper z.B. Wasser N(H_20) \approx 3\times 10^{22} Mo1eküle / cm³

σNl = Wahrscheinlichkeit für eine Reaktion


z.B. N \approx 10^{23} Kerne/cm³, Targetlänge 1 = gesamte Erde = 1,2 109 cm

\to \sigma Nl \approx 10^{-44} cm^2 10^{23} cm^{- 30} 1,2 \times 10^9 cm\approx 10^{-12}

Starke Neutrinoguellen

Reaktor \triangleq Antineutrino-Quelle

Spaltprodukte wegen Neutronenüberschuß β − -Strahler, die Antineutrinos emittieren.

Pro Spaltung ca.6\bar \nu, daraus '\bar \nu-Produktion aus Reaktorleistung berechenbar:

Pro Spaltung wird ca. 200 MeV= 3,2 10-17 MWs frei, d. h. bei Leistung L =1 MW \to N(\bar\nu) = \frac{6\bar \nu1MW}{3,2\times 10^{-17}}\approx 2\times 10^{17}\bar \nu /s

Sonne \triangleq Neutrinoquelle

Da bei der Fusion aus H --> He entsteht, müssen dabei ebenso Neutrinos entstehen. Fusion: 2e^- + 4p \underset{\text{CN-Zyklus}}{\to}He^4 + 2\nu + \text{ca. 20 MeV}, d.h. pro 10 MeV Fusionsenergie entsteht ca. 1 ν.

Damit Neutrinofluß auf der Erde aus Solarkonstante umgerechnet: S = 1,4 kW/m² 1\nu\approx 10 MeV = 1,6 10-12 Ws

N(\nu) = \frac{1,4 \times 10^3 Wm^{-2}}{1,6 \times 10^{12} Ws/nu} = 8\times10^{14}\nu/m^2s


Erstes Experiment von Reines und Cowan [2] mit Reaktorantineutrinos. (Los Alamos)

Das Meßprinzip beruht darauf, daß bei einer möglichen Reaktion \bar \nu+p \to n + e^+ die beiden Vernichtungsquanten aus der Positronzerstrahlung e^+ + e^- \to 2 \gamma (Eγ = 0,5MeV) und nach einer bestimmten Abbremszeit durch Neutroneneinfang von 113Cd mehrere γ aus dem Kaskadenzerfall des hochangeregten 114Cd (E \approx 9 MeV) in Mehrfachkoinzidenz gemessen werden.

Experiment Neutrinomessung (Reines und Cowan)
Schema Neutrinomessung

Grobe Abschätzung der Zählrate:

σ (Reaktor-\bar \nu) \approx 10^{-47}m^2, Reaktor L \approx 10 MW ~ 2\times10^{18}\bar \nu/s Fluß in ca. 1 m Abstand \theta \approx 10^{17}\bar \nu/m^2s, Targetfläche F = 7,6 cm • 150 cm \approx 0,1 m², d. h. ca. 10^{16}\bar \nu/s durch Target von ca. 2 m Länge.


Reaktionswahrscheinlichkeit \sigma Nl \approx 10^{-47}m^2 10^{29}m^{-3}2m\approx 10^{-18}

Zählrate/s \approx 10^{16}s^{-1} 10^{-18} \approx 10^{-2}s^{-1} Großer Untergrund durch Reaktor und kosmische Strahlung. Erste Ergebnisse in Zählrate/min:

  • 2,55 ± 0,15 Reaktor an
  • 2,14 ± 0,13 Reaktor aus
  • 0,41 ± 0,20/min

\nu \neq \bar \nu-Experiment [3]

Prinzip \begin{align} e^- + {}^{37}\text{Ar} & \to {}^{37}\text{Cl} + \nu\\ & \leftarrow \\ & \nleftarrow {}^{37}\text{Cl} + \underbrace{\bar \nu}_{\text{Reaktor}} \end{align}

4000 1 CC14 wurden 30-70 Tage mit Reaktor-\bar\nu bestrahlt und etwa gebildetes 37Ar durch Aktivitätsmessung gezählt --> Negatives Ergebnis

Einzelnachweise

  1. ↑ Phys. Rev. 86, 446 (1952) Neutrino Recoils Following the Capture of Orbital Electrons in A37
  2. ↑ Phys. Rev. 92, 830 (53)
  3. ↑ Davis et al., Phys. Rev. 97, 766 (1955)

Ergänzende Infromationen

(gehört nicht zum Skript)


Seminarvortrag Experimenteller Neutrinonachweis und Helizität

  • oben beschriebenes Experiment ist 3. Versuch (Savannah River Experiment)
  • 1. Idee Atombombe
  • 2. Idee Hanford-> zu großes Rauschen (kosmische Strahlung)
  • Cd = Cadmium


Prüfungsfragen (Prof. Kanngießer)

  • Neutrinoexperimente (habe alle relevanten Experimente aus dem Mayer-Kuckuk aufgezählt)
  • Experiment von Reines und Cowan näher erklären (Reaktionen aufmalen,
    • Warum Zeitdifferenz? ->Abbremszeit der Neutronen;
    • Warum NaJ als 'Y-Detektor? -> wegen benötigter Detektorgröße
  • Neutrinos: Was ist das wozu braucht man die (beim ß Zerfall)? Problem Energie + Impulserhal tung + Spin -> Erklärung es ex. ungeladenes Fermion
    • Nachweis?
      • Direkt: Ar->CI Rückstoß messen (Mit Skizze + ausführlicher Erklärung)Indirekt: induzierter Protonzerfall , e+e-Annihilalion; Koinzidenz verzögert CdNeutronnachweis
    • Was misst man jeweils Neutrino/Antineutrino; Wo bekommt man sie her?--> Sonne/Kernreaktor
    • warum? -> Neutronenüberschuß der Spaltprodukte
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Fakten zu NeutrinoexperimenteRDF-Feed
Abschnitt0  +
FachbegriffElektroneneinfang  +, 2-Körperproblem  +, Augerelektronen  +, Wirkungsquerschnitt  +, Neutronenüberschuß  +, Antineutrino  +, Fusion  + und Neutrino  +
IndexElektroneneinfang  +, 2-Körperproblem  +, Augerelektronen  +, Wirkungsquerschnitt  +, Neutronenüberschuß  +, Antineutrino  +, Fusion  + und Neutrino  +
InhaltstypScript  +
Kapitel14  +
UrheberProf. Dr. P. Zimmermann  +
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