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THe-TRAP-Projekt

Neutrinomasse

Der β-Zerfall von 3H (Tritium) in 3He ist der vielversprechendste Kandidat für die absolute Bestimmung der Neutrinomasse. Eine Masse größer Null modifiziert die Form des Energiespektrums der emittierten β-Elektronen in der Nähe des hochenergetischen Endpunkts wie in Abb. 2.1 dargestellt.

 

Energiespektrum E_kin der Elektronen des β-Zerfalls von Tritium.
Abb. 2.1: Energiespektrum Ekin der Elektronen des β-Zerfalls von Tritium. E0 entspricht der bei KATRIN beobachteten maximalen kinetischen Energie der e-, mit m(νe) = 0. Nahe des Endpunktes ist der Einfluss der Neutrinomasse auf die Form des Spektrums am deutlichsten. Nur ein Anteil von 2⋅10-13 aller emittierten e- entfällt auf den Bereich von 1 eV vor E0.

Die 3H-zu-3He Massendifferenz bestimmt die maximale kinetische Energie E0 des beim β-Zerfall freiwerdenden Elektrons. Folglich liefert die präzise Bestimmung des 3H-zu-3He-Massenverhältnisses Informationen für die Analyse des β-Spektrums (siehe Abbildung 2.1). 2016 wird das Karlsruhe-Tritium-Neutrino-Experiment externer Link (KATRIN) mit der Datennahme zur Erforschung des β-Spektrums beginnen, mit dem Ziel eine beispiellose Empfindlichkeit von m(νe) < 0.2 eV/c2 zu erreichen. Die Bestimmung des Massenverhältnisses mit einer Genauigkeit von 10-11 liefert, unter Anwendung Einsteins Formel für die Masse-Energie-Äquivalenz E = mc2, einen Q-Wert für den Zerfall von 3H zu 3He. Durch Berücksichtigung des Rückstoßes und Anregung des Kerns ergibt sich E0, das mit dem Spektrum verglichen werden kann, wodurch systematische Fehler von KATRIN geprüft werden können.

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Tritiumlabor

Um sowohl den Sicherheits- als auch den Präzisionsanforderungen gerecht zu werden, waren enorme Anstrengungen in der Vorbereitung des Tritiumlabors am MPIK nötig. Da Tritium ein radioaktives Gas ist, ist bei seiner Handhabung besondere Sorgfalt erforderlich. Deshalb wurde gemeinsam mit dem Regierungspräsidium Karlsruhe und der Strahlenschutzgruppe am MPIK ein detailliertes Sicherheitskonzept entwickelt, welches vom Dienstleistungsunternehmen DEKRA überprüft und abgenommen wurde. Das Konzept (siehe Abbildung 2.2) beinhaltet ein separates Ventilationssystem, eine extra Einkapselung des Experiments, Handschuhboxen im Experimentbereich und ein Alarmsystem bei Tritiumaustritt.

 

Schema des Tritium Sicherheitssystems.
Abb. 2.2: Schema des Tritium Sicherheitssystems. Zu erkennen sind das obere Labor, in welchem sich die Schränke mit der Elektronik befinden (Raum 2), der Magnetraum mit dem Magneten, in welchem sich die Penningfallen befinden (Raum 1) und ein zweiter Raum (Raum 3), der als Kältereservoir zur Temperaturstabilisierung für Raum 1 dient. Der Bereich in welchem sich Tritium befinden und austreten kann, ist in Orange umrahmt. An den Tritiumbereich sind eine Tritiumüberwachung (grün), ein Alarmsystem (gelb) und leistungsstarke Ventilatoren angeschlossen.