Neutrinoexperimente

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

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

Rückstoßexperimente

Am besten Elektroneneinfang{{#set:Fachbegriff=Elektroneneinfang|Index=Elektroneneinfang}} wegen 2-Körperproblem{{#set:Fachbegriff=2-Körperproblem|Index=2-Körperproblem}}, gut geeignet z.B.

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

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

Inverser ß-Zerfall

aus $\begin{array}{rl}p& \to n+e^{+}+\nu \\ \tilde{\nu }+p& \to n+e^{+}\end{array}$ inverser ß-Zerfall, $E_0\approx E_{\tilde{\nu }}$

Wirkungsquerschnitt{{#set:Fachbegriff=Wirkungsquerschnitt|Index=Wirkungsquerschnitt}} für $E_{\tilde{\nu }}\approx MeV\sigma \approx 10^{-48}{m}^2$

($\sigma E_{\nu }^2$ z.B. $E_{\nu }\approx GeV\to \sigma \approx 10^{-42}{m}^2$)

miniatur|hochkant=3|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

$\to \sigma Nl\approx 10^{-44}c{m}^{2}10^{23}c{m}^{-30}1,2\times 10^{9}cm\approx 10^{-12}$

Starke Neutrinoguellen

Reaktor $\triangleq$ Antineutrino-Quelle

Spaltprodukte wegen Neutronenüberschuß{{#set:Fachbegriff=Neutronenüberschuß|Index=Neutronenüberschuß}} ${\beta }^{-}$-Strahler, die Antineutrino{{#set:Fachbegriff=Antineutrino|Index=Antineutrino}}s emittieren.

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

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

Sonne $\triangleq$ Neutrinoquelle

Da bei der Fusion{{#set:Fachbegriff=Fusion|Index=Fusion}} aus H --> He entsteht, müssen dabei ebenso Neutrino{{#set:Fachbegriff=Neutrino|Index=Neutrino}}s entstehen. Fusion: $2e^{-}+4p\underrightarrow{\text{CN-Zyklus}}H{e}^4+2\nu +\text{ca. 20 MeV}$, 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. miniatur|zentriert|hochkant=3

miniatur|zentriert|hochkant=3

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.