Neutrinoexperimente

Kern- und Strahlungsphysikvorlesung von Prof. Dr. P. Zimmermann

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
		Kernphysik Einleitung Abschirmung radioaktiver Strahlung Alpha-Zerfall Beta-Zerfall Gamma-Zerfall Neutrinoexperimente Paritätsverletzung beim beta-Zerfall Schwache Zerfälle von Pionen und Myonen Synchrotron- und Laserstrahlung Kernradien Bindungsenergien Tröpfchenmodell, Weizsäckersche Massenformel Kerndrehimpulse und elektromagnetische Kernmomente Messung von Kernmomenten Das Schalenmodell des Kerns Kernkräfte Kernzerfälle, Strahlenschutz

Die Abfrage enthält eine leere Bedingung.

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

Rückstoßexperimente

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

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

Rückstoßenergie durch Flugzeitmessung: Rückstoßgeschwindigkeit v: $Mv=P_{\nu }=E_{\nu }/c,v/c=E_{\nu }/Mc^{2}=8,1\times 10^{5}eV/37\times 10^{9}eV\approx 2\times 10^{-5}\to v=6\times 10^{5}cm/s$ Exp. von Rodebach und Allen durch Koinzidenz von dem schnellen Augerelektronensignal (Startsignal) und dem (verzögerten) Ionensignal ($^{37}Cl^{+}$), das bei einer Wegstrecke von z.B. $l=6cm$ eine Flugzeit von $t=l/v=6cm/6\times 10^{5}cms^{-1}=10\mu s$ benötigt.

Inverser ß-Zerfall

aus ${\begin{aligned}p&\to n+e^{+}+\nu \\{\tilde {\nu }}+p&\to n+e^{+}\end{aligned}}$ 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 $\sigma$

Festkörper z.B. Wasser $N(H_{2}0)\approx 3\times 10^{22}$ Mo1eküle / cm³

$\sigma Nl=$ Wahrscheinlichkeit für eine Reaktion

z.B. $N\approx 10^{23}$ Kerne/cm³, Targetlänge 1 = gesamte Erde = 1,2 $10^{9}$ 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 $\beta ^{-}$-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 $L=1MW\to N({\bar {\nu }})={\frac {6{\bar {\nu }}1MW}{3,2\times 10^{-17}}}\approx 2\times 10^{17}{\bar {\nu }}/s$

Sonne $\triangleq$ Neutrinoquelle

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

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

$N(V)=1,4ol03Wm-Z=8.1014v/mZs1,6.10-1Zws/v$

Erstes Experiment von Reines und Cowan mit Reaktorantineutrinos. (Los Alamos) Das Meßprinzip beruht darauf, daß bei einer möglichen Reaktion v+p -+ n + e+ die beiden Vernichtungsquanten aus der Positronzerstrahlung e+ + e- -+ 2 ~ (E~ = 0,5 MeV) und nach einer bestimmten Abbrems zeit durch Neutroneneinfang von 113Cd mehrere ~ aus dem Kaskadenzerfall des hochangeregten 114Cd (E ~ 9 MeV) in Mehrfachkoinzidenz gemessen werden.

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Grobe Abschätzung der Zählrate:Bedeutung von u: 10 Gl ) I = I e-UNI 0 N Kerne/cm-3 1 Festkörper z.B. Wasser N(H20) "" 3010 22 Mo 1 e ku" l e / cm 3 uNI = Wahrscheinlichkeit für eine Reaktion Eo "" E~ 1/ z.B. N "" 1023 Kerne/cm3, Targetlänge 1 = gesamte Erde = 1,2 010 9 cm ~ u NI "" 10-44 cm201023 cm- 30 1,2 0109 cm "" 10-12 a (Reaktor-v) "" 10-47mZ, Reaktor L "" 10 MW ~ 2.1018v/s Fluß in ca. 1 m Abstand e "" 1017v/m2.s, Targetfläche F = 7,6 cm • 150 cm"" 0,1 mZ, d. h. ca. 1016v/s durch Target von ca. 2 m Länge. Reaktionswahrscheinlichkeit aNl "" 10-47m2.10Z9m-3.2m "" 10-18 Zählrate/s "" 1016s-1.10-18 ~ 10-Zs-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 v ~ 'v"- Experiment Prinzip e- + 37Ar ---) 37Cl + v f~ 37Cl + 'v" ~'Reaktor 4000 1 CC14 wurden 30-70 Tage mit Reaktor-v bestrahlt und etwa gebildetes 37Ar durch Aktivitätsmessung gezählt -+ Negatives Ergebnis.