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Forschung - Neutrinos
Seit der Postulierung des Neutrinos im Jahr 1930 durch Pauli steht das Neutrino im Mittelpunkt der Untersuchungen in vielen Experimenten der Teilchen- und Astroteilchenphysik. Bislang werden Neutrinos am besten durch das Standardmodell beschrieben beschrieben, in dem sie als ladungsneutrale, masselose Fermionen beschrieben werden, die durch schwache Wechselwirkung in einem der drei verschiedenen leptonischen Eigenzustände entstehen. Allerdings haben die Experimente des Sudbury Neutrino Observatoriums und Super-Kamiokande zeigten jedoch, dass sich der leptonische Neutrino-Flavor während der Ausbreitung ändert. Dieser Effekt deutet darauf hin, dass Neutrinos mindestens drei zusätzliche Masseneigenzustände mit Massequadratunterschieden ungleich Null haben. Unterschieden haben. Damit haben die Experimente bewiesen, dass Neutrinos eine Masse ungleich Null haben, was dem Standardmodell widerspricht. Bis heute ist die absolute Masse noch unbestimmt und wird in verschiedenen Experimenten gesucht.
Neutrinomassenexperimente lassen sich in zwei konzeptionell unterschiedliche Kategorien einteilen: indirekte und direkte Ansätze. Bei der indirekten Suche wird die Neutrinomasse aus einem Modell abgeleitet, wobei das Modell selbst nicht vollständig bewiesen ist. Zu den indirekten Ansätzen gehören kosmologische Studien, Supernova-Neutrinomessungen und Messungen des neutrinolosen doppelten Betazerfalls. Bei der direkten Suche wird die Neutrinomasse direkt aus gut getesteten Modellen bestimmt. Zu den direkten Ansätzen gehört die Spektroskopie von Betazerfallselektronen.
Betazerfallsexperimente untersuchen die fehlende Energie, die vom Neutrino weggetragen wird, entweder beim Elektroneneinfangprozess oder dem Betazerfallsprozess. Die Berechnungen beruhen auf der Energie- und Impulserhaltung erhaltung. Es werden keine Annahmen über die spezifische Natur der Neutrinos gemacht. Daher können diese Methoden als als modellunabhängig betrachtet werden. Im Folgenden wird nur das Messprinzip des Betazerfalls beschrieben, da beide Methoden so grundlegend ähnlich sind.
Sowohl die Verzerrung als auch die Endpunktverschiebung können nachgewiesen werden, wenn die Ereignisrate im Endpunktbereich hoch genug ist und die Energieauflösung des Experiments hoch genug ist. Die Wahl der betazerfallenden Isotope hängt also von einer niedrigen Halbwertszeit und einer niedrigen Endpunktenergie ab. Die niedrige Halbwertszeit garantiert, dass bei einer vergleichsweise geringen Menge an Ausgangsmaterial genügend Statistik im Endpunktbereich vorhanden ist. Die niedrige Endpunktenergie sorgt dafür, dass der Einfluss auf das Spektrum vergleichsweise groß ist.
Tritium ist ein idealer Kandidat für Neutrinomassenexperimente. Es hat eine kurze Halbwertszeit von T1/2= 12.3 Jahren und eine niedrige Endpunktenergie E0= 18.6 keV. Aufgrund dieser Eigenschaften wird Tritium in vielen Betazerfallsexperimenten und zuletzt im KATRIN-Experiment verwendet. Die KATRIN-Kollaboration konnte zeigen, dass die Elektronen-Antineutrino-Masse unter 1,1 eV liegt (Konfidenzniveau 90\%). Ziel des KATRIN-Experiments ist es jedoch, die Elektronen-Antineutrinomasse mit einer Empfindlichkeit von bis zu 0,2 eV zu messen. Dieses anspruchsvolle Ziel kann nur durch eine genaue Untersuchung aller systematischen Effekte des Experiments erreicht werden. Einer dieser Effekte wird durch ein Plasma in der leuchtstarken, fensterlosen, gasförmigen Tritiumquelle verursacht. Das Plasma wird durch Betazerfall, anschließende Ionisierung und Kollisionen mit dem umgebenden Tritiumgas erzeugt. Das Plasma erzeugt ein ab initio inhomogenes Potential in der gesamten Quelle, das die Form des gemessenen Elektronenspektrums verändern kann.
Das Plasma innerhalb der WGTS des KATRIN-Experiments ist in mehr als einer Hinsicht komplex:
- Das Plasma hat einen starken Dichtegradienten
- Das Plasma ist im Zentrum stoßbestimmt und stoßfrei an den Rändern.
- Die Elektronenverteilung setzt sich aus einer thermischen und mehreren nicht-thermischen Komponenten zusammen
- Eine große Zahl verschiedener Spezies ist im Plasma vorhanden
- Die Plasmawandwechselwirkung ist nicht vollständig verstanden
In meiner Gruppe wurde ein zweiteiliger Simulationsansatz entwickelt. Zunächst wird das Elektronenspektrum in Abhängigkeit von der Position in der Quelle durch ein neues Monte-Carlo-Simulationswerkzeug namens KARL neu bewertet. Damit werden die Wechselwirkungen von Elektronen und Ionen mit dem neutralen Gas bei einem gegebenen neutralen Gasstrom und statischen elektromagnetischen Feldern erfasst. Anschließend werden die Ergebnisse von KARL in Teilchen-in-Zellen-Simulationen mit einer modifizierten Version des ACRONYM-Simulationstools einbezogen. Dieses Tool berechnet elektrodynamische Felder aus gegebenen Eingaben, unter der Annahme, dass es keine direkten Kollisionen zwischen geladenen Teilchen gibt. Die Ergebnisse der ACRONYM-Simulationen können dann als Input für neue KARL-Simulationen verwendet werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Iteration zwischen beiden Simulationswerkzeugen einen Gleichgewichtszustand erreicht.
Der KARL-Code umfasst verschiedene Prozesse der Ionisation, Rekombination und elastischen Streuung. Um die Dichte und Spektrum an verschiedenen Positionen in der Quelle zu messen, werden die Pertikel an verschiedenen Kontrollpunkten verfolgt.
Das Spektrum im Inneren der Quelle zeigt ein komplexes Verhalten: Die Elektronen werden entsprechend dem Fermi-Spektrum emittiert. Durch Wechselwirkungen mit dem umgebenden Tritiumgas und Ionen verlieren die Elektronen Energie, was zu einem nichtthermischen Leistungsgesetz führt. Nach einer großen Anzahl von elastischen Streuungen - hauptsächlich im Zentrum, wo die Gasdichte hoch ist - kühlen die Elektronen auf eine Maxwell-Verteilung ab.
Teilchenspektren werden als Input für Plasmasimulationen mit dem ACRONYM-Code verwendet. Mit geeigneten Randbedingungen kann das Verhalten auf großen Skalen simuliert werden. Mit dem derzeitigen Aufbau sind numerische Experimente sehr rechenintensiv. We are currently working on making simulations more feasible using various approaches from pseudo-2D PiC simulations to 1D electrostatic Vlasov simulations.
