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.

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

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 Rodeback 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: $2e^{-}+4p{\underset {\text{CN-Zyklus}}{\to }}He^{4}+2\nu +{\text{ca. 20 MeV}}$, 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

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

Erstes Experiment von Reines und Cowan 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 $e^{+}+e^{-}\to 2\gamma$ ($E_{\gamma }=0,5MeV$) und nach einer bestimmten Abbremszeit durch Neutroneneinfang von ${}^{113}Cd$ mehrere $\gamma$ aus dem Kaskadenzerfall des hochangeregten ${}^{114}Cd$ ($E\approx 9MeV$) in Mehrfachkoinzidenz gemessen werden.

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Experiment Neutrinomessung (Reines und Cowan)

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Schema Neutrinomessung

Grobe Abschätzung der Zählrate:

$\sigma$ (Reaktor-${\bar {\nu }}$) $\approx 10^{-47}m^{2}$, Reaktor $L\approx 10MW~2\times 10^{18}{\bar {\nu }}/s$ Fluß in ca. 1 m Abstand $\theta \approx 10^{17}{\bar {\nu }}/m^{2}s$, 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

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• 0,41 ± 0,20/min

$\nu \neq {\bar {\nu }}$-Experiment

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

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

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