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.

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Die Abfrage enthält eine leere Bedingung. __SHOWFACTBOX__

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

Rückstoßexperimente

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

e^{-} +^{37} Ar \underset{35 d}{\to}^{37} C l + ν

(freies Edelgasatom in einer Gaszelle) mit

E_{ν} = 810 k e V

Rückstoßenergie durch Flugzeitmessung: Rückstoßgeschwindigkeit v: $M v = P_{ν} = E_{ν} / c, v / c = E_{ν} / M c^{2} = 8, 1 \times 1 0^{5} e V / 37 \times 1 0^{9} e V \approx 2 \times 1 0^{- 5} \to v = 6 \times 1 0^{5} c m / s$

Exp. von Rodeback und Allen ^[1] durch Koinzidenz von dem schnellen Augerelektronensignal (Startsignal) und dem (verzögerten) Ionensignal ( $^{37} C l^{+}$ ), das bei einer Wegstrecke von z.B. $l = 6 c m$ eine Flugzeit von $t = l / v = 6 c m / 6 \times 1 0^{5} c m s^{- 1} = 10 μ s$ benötigt.

Inverser ß-Zerfall

aus $\begin{matrix} p & \to n + e^{+} + ν \\ \tilde{ν} + p & \to n + e^{+} \end{matrix}$ inverser ß-Zerfall, $E_{0} \approx E_{\tilde{ν}}$

Wirkungsquerschnitt für $E_{\tilde{ν}} \approx M e V σ \approx 1 0^{- 48} m^{2}$

( $σ E_{ν}^{2}$ z.B. $E_{ν} \approx G e V \to σ \approx 1 0^{- 42} m^{2}$ )

Festkörper z.B. Wasser $N (H_{2} 0) \approx 3 \times 1 0^{22}$ Mo1eküle / cm³

$σ N l =$ Wahrscheinlichkeit für eine Reaktion

z.B. $N \approx 1 0^{23}$ Kerne/cm³, Targetlänge 1 = gesamte Erde = 1,2 $1 0^{9}$ cm

\to σ N l \approx 1 0^{- 44} c m^{2} 1 0^{23} c m^{- 30} 1, 2 \times 1 0^{9} c m \approx 1 0^{- 12}

Starke Neutrinoguellen

Reaktor $≜$ Antineutrino-Quelle

Spaltprodukte wegen Neutronenüberschuß $β^{-}$ -Strahler, die Antineutrinos emittieren.

Pro Spaltung ca. $6 \bar{ν}$ , daraus ' $\bar{ν}$ -Produktion aus Reaktorleistung berechenbar:

Pro Spaltung wird ca. 200 MeV= 3,2 10^-17 MWs frei, d. h. bei Leistung $L = 1 M W \to N (\bar{ν}) = \frac{6 \bar{ν} 1 M W}{3, 2 \times 1 0^{- 17}} \approx 2 \times 1 0^{17} \bar{ν} / s$

Sonne $≜$ Neutrinoquelle

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

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

N (ν) = \frac{1, 4 \times 1 0^{3} W m^{- 2}}{1, 6 \times 1 0^{12} W s / n u} = 8 \times 1 0^{14} ν / m^{2} s

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

Das Meßprinzip beruht darauf, daß bei einer möglichen Reaktion $\bar{ν} + p \to n + e^{+}$ die beiden Vernichtungsquanten aus der Positronzerstrahlung $e^{+} + e^{-} \to 2 γ$ ( $E_{γ} = 0, 5 M e V$ ) und nach einer bestimmten Abbremszeit durch Neutroneneinfang von $^{113} C d$ mehrere $γ$ aus dem Kaskadenzerfall des hochangeregten $^{114} C d$ ( $E \approx 9 M e V$ ) in Mehrfachkoinzidenz gemessen werden.

Experiment Neutrinomessung (Reines und Cowan)

Grobe Abschätzung der Zählrate:

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

Reaktionswahrscheinlichkeit $σ N l \approx 1 0^{- 47} m^{2} 1 0^{29} m^{- 3} 2 m \approx 1 0^{- 18}$

Zählrate/s $\approx 1 0^{16} s^{- 1} 1 0^{- 18} \approx 1 0^{- 2} s^{- 1}$ 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

$ν \neq \bar{ν}$ -Experiment ^[3]

Prinzip $\begin{matrix} e^{-} +^{37} Ar & \to^{37} Cl + ν \\ \leftarrow \\ ↚^{37} Cl + \underset{Reaktor}{\underset{⏟}{\bar{ν}}} \end{matrix}$

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

Einzelnachweise

↑ Phys. Rev. 86, 446 (1952) Neutrino Recoils Following the Capture of Orbital Electrons in A³⁷
↑ Phys. Rev. 92, 830 (53)
↑ 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

[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)

[1]

[2]

[3]

Neutrinoexperimente

Inhaltsverzeichnis

Rückstoßexperimente

Inverser ß-Zerfall

Starke Neutrinoguellen

Reaktor $≜$ Antineutrino-Quelle

Sonne $≜$ Neutrinoquelle

Einzelnachweise

Ergänzende Infromationen

Seminarvortrag Experimenteller Neutrinonachweis und Helizität

Prüfungsfragen (Prof. Kanngießer)

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Neutrinoexperimente

Rückstoßexperimente

Inverser ß-Zerfall

Starke Neutrinoguellen

Reaktor ≜ Antineutrino-Quelle

Sonne ≜ Neutrinoquelle

Einzelnachweise

Ergänzende Infromationen

Seminarvortrag Experimenteller Neutrinonachweis und Helizität

Prüfungsfragen (Prof. Kanngießer)

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Reaktor $≜$ Antineutrino-Quelle

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