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Neutrinophysik

Die Neutrinogruppe am IKP-2 wurde dank der Rekrutierungsinitiative der Helmholtz-Gemeinschaft im November 2015 gebildet. Die Gruppe ist spezialisiert auf die Niedererenergieneutrinophysik, die auf der Detektionstechnik des Flüssigszintillators basiert, und ist maßgeblich an den Experimenten Borexino (Italien) und JUNO (China) beteiligt. Die wissenschaftlichen Kammern decken ein breites Spektrum an Argumenten ab, darunter grundlegende Fragen der Neutrinophysik (Neutrinooszillationen, Neutrinomassenordnung) sowie Ansätze, die Neutrinos als einzigartige Boten für astrophysikalische Objekte, darunter die Erde und die Sonne, nutzen. Die Gruppe ist auf Datenanalyse und Rekonstruktionsverfahren spezialisiert und ist am Bau des OSIRIS-Detektors beteiligt.

Borexino

Borexino ist ein 280 Tonnen schwerer Flüssigszintillator-Detektor, der in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso(LNGS), dem größten unterirdischen Labor der Welt, untergebracht ist. Die Abdeckung durch das 1400 m dicke Gestein sorgt für eine Reduktion des kosmischen Strahlungsflusses um das Einmillionenfache. Das Experiment ist in einer Edelstahlkuppel von 18 m Durchmesser untergebracht und besteht aus dem äußeren Detektor (OD) und dem inneren Detektor (ID). Der OD dient als Schild gegen den äußeren Hintergrund und als Tscherenkow-Veto für kosmogene Myonen. Er ist mit 2400 Tonnen ultrareinem Wasser gefüllt und mit 208 PMTs ausgestattet. Der ID besteht aus einer Edelstahlkugel mit 2200 im Inneren installierten PMTs und zwei ineinander verschachtelten Nylonbehältern. Der Flüssigszintillator im Inneren ist die hochreinste Flüssigkeit der Welt.

Das Hauptziel des Borexino-Detektors ist die Messung von solaren Neutrinos aus dem pp-Fusionszyklus, der die Sonne antreibt, und die Entdeckung von Neutrinos, die aus dem CNO-Zyklus stammen. Darüber hinaus ist Borexino einer der beiden Detektoren auf der Welt, die Geoneutrinos messen können, die als Werkzeug zur Untersuchung des Erdmantels verwendet werden können. Zu den weiteren physikalischen Zielen des Detektors gehört die Untersuchung von: Myonen, magnetischem Neutrinomoment, diffusem Supernova-Hintergrund, Nicht-Standardwechselwirkungen, Suche nach Doppelbetazerfall und atmosphärischen Neutrinos.

BorexinoCopyright: Borexino Collaboration

JUNO

Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ist ein Mehrzweck-Neutrino-Experiment auf der Basis von Flüssigszintillatoren, das 2008 vorgeschlagen wurde, um die Neutrino-Massenhierarchie (MH) durch den Nachweis von Reaktor-Antineutrinos zu bestimmen. Der Nachweismechanismus macht sich die inverse Betazerfallsreaktion (IBD) zunutze, bei der ein Antineutrino mit einem Proton des Szintillators in Wechselwirkung tritt und ein Positron und ein Neutron erzeugt. Der JUNO-Komplex befindet sich derzeit in China im Bau, mit einem Felsüberhang über der Experimentierhalle von etwa 700 m, und liegt 53 km von den beiden Kernkraftwerken Yangjiang und Taishan entfernt.

Das im zentralen Detektor erzeugte Szintillationslicht wird von mehr als 40.000 Photovervielfacherröhren (PMTs) gesammelt, die auf einer kugelförmigen Struktur mit 20 m Radius installiert sind. Der zentrale Szintillator-Detektor ist von einem zylindrischen Wasserbecken umgeben, das dazu dient, das Cherenkov-Licht aus atmosphärischen Myonen zu detektieren und gegen die Umweltradioaktivität abzuschirmen, indem es als Veto-Detektor fungiert. Über dem Wasserbecken befindet sich ein weiterer Myonendetektor aus szintillierenden Streifen, der die Aufgabe hat, die Myonspuren genau zu identifizieren.

Zusätzlich kann der Antineutrino-Fluss des Reaktors für eine Messung der solaren Oszillationsparameter Θ12 und Δm212 mit einer subprozentualen Genauigkeit ausgenutzt werden, was die präziseste Messung im Neutrino-Sonnensektor darstellen würde. Supernovae Neutrinos können auch im Falle einer Sternexplosion beobachtet werden, woraus sich wichtige Informationen über die Quelle ableiten lassen. Die feine Energieauflösung kann auch ausgenutzt werden, um solare Neutrinos mittels elastischer Streuung an Elektronen zu beobachten. Andere Quellen, die für JUNO potentiell zugänglich sind, sind Geoneutrinos, die bei radioaktiven Zerfällen im Erdinneren entstehen, und atmosphärische Neutrinos, die nach Wechselwirkungen mit kosmischen Strahlen in der Atmosphäre entstehen. Zu den exotischen Suchen gehören Nicht-Standardwechselwirkungen, sterile Neutrinos, Protonenzerfall und dunkler Materie.

JUNOCopyright: JUNO Collaboration

OSIRIS

Der Zweck des OSIRIS ist es, während des gesamten Prozesses des Einfüllens der 20 kton LS in den zentralen Detektor JUNO zu überwachen, ob die LS gewisse Anforderungen erfüllt. OSIRIS kann 20 Tonnen LS enthalten, und die Proben werden kontinuierlich durch das System geleitet.

Das Prinzip der Messung des Kontaminationsgrades von 238U and 232Th liegt in der Identifizierung der schnellen zeitkoinzidenten Zerfälle der Isotopenpaare 214Bi-214Po bzw. 212Bi-212Po. Darüber hinaus wird OSIRIS in der Lage sein, die 14C-Konzentration bis hinunter zu einem 14C/12C-Verhältnis von 10-17 bei einem Konfidenzniveau von 90% zu messen.

Das "Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System" (OSIRIS) Detektordesign, das aus zwei optisch getrennten Behältern besteht, ist in der obigen Abbildung dargestellt. Das Innengefäß ist ein Acrylzylinder mit einem Durchmesser und einer Höhe von jeweils 3m. Er enthält den Szintillator und wird von 64 20''-PMTs beobachtet. Diese PMTs werden von einem Stahlrahmen gehalten, der sich vollständig im äußeren Gefäß befindet. Da OSIRIS dazu dient, die LS-Qualität ständig zu überwachen, verfügt es über einen Einlass oben und einen Auslass unten im Innenbehälter.

Das Außengefäß ist ein mit Wasser gefüllter Edelstahlzylinder, der als Puffervolumen zum Schutz vor externer Radioaktivität aus dem umgebenden Gestein dient. Er ist mit zusätzlichen 12 20''-PMTs ausgestattet, die das Cherenkov-Licht aus kosmogenen Myonen.

Das Auslesedesign der PMTs wird einen neuartigen Ansatz verwenden. Um die Qualität des Signals zu maximieren, ist die Ausleseelektronik sowie der Digitalisierer direkt in der Basis des PMTs untergebracht. Dies ermöglicht eine bessere Impedanzanpassung der PMT-Basis und damit eine höhere Qualität des Signals. OSIRIS führt ein auslöserloses Ausleseschema aus. Die Wellenformen der einzelnen PMTs werden zusammen mit einem synchronisierten Zeitstempel an das externe DAQ-System gesendet. Dort wird eine spezielle Software die Wellenformen sortieren und den "Offline-Trigger" erstellen. Die IKP-Gruppe ist auch an der Entwicklung des letzteren beteiligt.

OsirisCopyright: JUNO Collaboration

Zusatzinformationen

Weiterführende Informationen

Lokale Ansprechpartner im IKP-2:

Prof. Dr. Livia Ludhova


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