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 ß--Strahler, die Antineutrinos emittieren. Pro Spaltung ca.6'v", daraus 'v"- Produktion aus Reaktorleistung berechenbar: Pro Spaltung Leistung L = wird ca. 200 MeV",= 3,2.10-17 MWs frei, d. h. bei 1 MW -+ N('v") = 6v.1MW "" 2·10 17 'v" /s 3,2.10-17MWS

Sonne $\triangleq$ Neutrinoquelle

Da bei der Fusion aus H -+ He entsteht, müssen dabei ebenso Neutrinos entstehen. Fusion: 2e- + 4p CN-ZyklUS;>He4 + 2v + ca. 20 MeV, d.h. pro 10 MeV Fusionsenergie entsteht ca. 1 v. Damit Neutrinofluß auf der Erde aus Solarkonstante umgerechnet: S = 1,4 kW/mZ 1v "" 10 MeV = 1,6 .10-1Z Ws N(V) = 1,4ol0 3 Wm- Z = 8.1014v/mZs 1,6.10-1Zws/v Erstes Experiment von Reines und Cowan [Phys. Rev. 92, 830 (53)] 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: 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 Davis et al., Phys. Rev. 97, 766 (1955) 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.