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Molecule for low diffusion TPCs for rare event searches

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Einen kosmischen Houdini auf frischer Tat ertappt zu haben, wird neues Licht auf das rätselhafte Neutrino werfen

In der Theorie gibt es zu jedem Materieteilchen ein entsprechendes Antimaterieteilchen, dennoch beobachten wir sehr viel mehr Materie als Antimaterie. Die Hypothese, dass das mysteriöse Neutrino sein eigenes Antineutrino sein kann, greift diese Asymmetrie auf und könnte dank verbesserten Erkennungsfähigkeiten bald durch Daten untermauert werden.

Grundlagenforschung

Theorien und experimentelle Entdeckungen des letzten Jahrhunderts haben zu bemerkenswerten Erkenntnissen über die (sehr wenigen) Grundbausteine unseres Universums geführt, dem Stoff, aus dem alles gemacht ist. Das Standardmodell der Teilchenphysik, das in den 1970er Jahren entwickelt wurde, ist unsere umfassendste Beschreibung der Welt der Teilchen. Allerdings weist das Standardmodell einige wichtige und anerkannte Lücken auf. Mit der Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen (MSCA) bereitete das Projekt MELODIC den Weg, um einige dieser Lücken mit einmaligen Informationen über Neutrinos, Materie und Antimaterie und die Physik über das Standardmodell hinaus zu schließen.

Mal ist es da, dann wieder weg

Teilchen und ihre Antiteilchen haben dieselbe Masse, eine gleiche aber entgegengesetzte Ladung und löschen sich gegenseitig aus, wenn sie sich in die Quere kommen. Dadurch ergeben sich interessante Auswirkungen auf das ladungslose Neutrino und viele glauben nun, dass diese rätselhaften Teilchen sowohl als Materie als auch als Antimaterie agieren können. Eine der besten Möglichkeiten, Antineutrinos zu studieren, besteht darin, das Auftreten des neutrinolosen Doppel-Betazerfalls (0νββ) zu erkennen, von dem bisher nur hypothetisch angenommen wird, dass er auftritt. Der Doppel-Betazerfall (2νββ), ein seltenes Ereignis, das bei mehreren Isotopen beobachtet wurde, führt zur Emission von zwei Elektronen und zwei Neutrinos. MSCA-Stipendiatin Neus López March erörtert: „Der neutrinolose Doppel-Betazerfall ist ein hypothetischer Prozess, bei dem ein Atomkern einen radioaktiven Zerfall mit der Emission von zwei Elektronen und zwei Neutrinos durchläuft. Dieser Prozess kann nur erfolgen, wenn das Neutrino sein eigenes Antineutrino hat und die beiden Teilchen sich gegenseitig auslöschen. Die Beobachtung dieses Prozesses könnte eine der wichtigsten offenen Fragen in der Teilchenphysik klären: warum es mehr Materie als Antimaterie im Universum gibt.“

Der Nebel lichtet sich

López March hat sich zum Ziel gesetzt, den neutrinolosen Doppel-Betazerfall in einer Hochdruck-Xenon-Gas-Zeitprojektionskammer zu entdecken, indem die Elektronendiffusion reduziert und somit die Auflösung erhöht und die Hintergrundunterdrückung verbessert wird. Der neutrinolose Doppel-Betazerfall kann erkannt werden, indem die Energie der beim Zerfall des Isotops Xenon-136 freigesetzten Elektronen gemessen wird, um zu sehen, ob die Summe exakt 2,458 MeV ergibt, was bedeuten würde, dass keine Energie durch nicht erkennbare Neutrinos abgeführt wurde. „Wir haben mit Helium dotiertes Xenon verwendet, um die Diffusion zu vermindern, wobei wir die Tatsache ausnutzten, dass die Elektronen über elastische Stöße mit dem Helium besser gekühlt werden als mit Xenon. Dadurch wird verhindert, dass die Ionisationsspur zu einer Wolke wird. So wird die Detektion verbessert. Durch den Einsatz einer Reihe von Silizium-Photomultiplikatoren ergaben sich daraufhin topologische Informationen, die zwischen Ereignissen mit zwei Elektronen und Einzel-Elektron-Ereignissen unterscheiden“, erklärt López March. Unter Anwendung dieser Prinzipien entwarf, baute und betrieb das aus Fachkräften der Physik, dem Maschinenbau und dem Elektroingenieurwesen bestehende Team von López March den NEXT-DEMO++ detector, einen Demonstrator für das Neutrino-Experiment mit einer Xenon-Zeitprojektionskammer am IFIC. All dies geschah innerhalb des zweijährigen MSCA-Stipendiums.

Bereit für NEXT

Vorläufige Ergebnisse des Demonstrators bestätigten, dass die transversale Diffusion um den Faktor 3 reduziert wird, wenn das Xenon mit 15 % Helium dotiert wird. Eine Veröffentlichung ist in Arbeit. Diese Verbesserung könnte genau das sein, was wir benötigen, um schlussendlich das Verschwinden von Doppelneutrinos zu beobachten und damit den Beweis zu erbringen, dass Neutrinos auch Antineutrinos sind, was die Beschreibung unseres Teilchenuniversums für immer verändern würde.

Schlüsselbegriffe

MELODIC, Neutrino, Xenon, Materie, Antimaterie, Doppel-Betazerfall, neutrinolos, Elektron, Standardmodell, Antineutrino, Neutrino-Experiment mit einer Xenon-Zeitprojektionskammer, Neutrino Experiment with a Xenon TPC (NEXT)

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