Verbundprojekt 05A2020; Das KATRIN-Experiment - Messung der Neutrinomasse aus dem Tritium Beta-Zerfall

Abstract

Das Ziel des Vorhabens war es, wichtige Beiträge zu den Messungen und zur Verbesserung des technologisch herausfordernden Karlsruher Tritium Neutrino (KATRIN) Experiments am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) zu leisten, das die Neutrinomasse über eine direkte Methode mit bisher unerreichter Sensitivität unterhalb von 0,3 meV/c2 bestimmen soll. Die Arbeiten umfassten federführende Beiträge für das eigenständige Kalibrations- und Monitorsystem, die Reduktion der Untergrundrate durch Optimierung des elektrostatischen Spektrometers und die Durchführung von dezidierten Messungen Analysen und Simulationen zum besseren Verständnis und zur Reduzierung systematischer Unsicherheiten. Ein weiteres Ziel war die Entwicklung und der Test neuer Technologien für zukünftige Erweiterungen des physikalischen Messprogramms von KATRIN. Nach den ersten Hochstatistikmessung des Tritium-Betaspektrums in der vorangegangenen Förderperiode, wurden in diesem Förderzeitraum zwei wichtige Ziele erreicht: mit der Analyse der ersten beiden Tritiummessphasen KNM1+2 konnte die erste direkt gemessene Massenobergrenze für Neutrinos im sub-eV Bereich veröffentlicht werden [1]. Außerdem konnte die bis dahin aufgenommene Datenmenge mehr als verzehntfacht werden. Die Verbesserung verschiedener Komponenten des Kalibrations- und Monitorsystems durch die Verbundpartner und die damit gewonnenen Daten trugen wesentlich zu einem besseren Verständnis und zur Reduktion von systematischen Effekten bei, welche die Sensitivität der Messungen begrenzen. Dazu zählen die gepulsete, winkelselektive Photoelektronenquelle im rückwärtigen Teil (Rear Section) des Experimentes, ein UV-Bestrahlungssystem, das zur Reinigung der sogenannten Rear Wall eingesetzt wurde, der Forward-Beam-Monitor zur in-situ Überwachung der Quellaktivität, der Betrieb der gasförmigen und der kondensierten 83mKr-Quellen und die Überwachung der Präzisionshochspannung des Hauptspektrometers mit unerreichter Genauigkeit. Für die präzise Vermessung des β-Spektrums mit dem Hauptspektrometer (MAC-E-Filter) wurden die Überwachung des magnetischen Führungsfeldes und der Präzisionshochspannung (10−6 Genauigkeit und Reproduzierbarkeit) weiter verbessert und erwiesen ihre Zuverlässigkeit im kontinuierlichen Messbetrieb. Ein weiterer wichtiger Punkt war die Untersuchung und Reduktion der Spektrometeruntergrundrate, die zu Beginn der Tritiummessungen um einen Faktor 30 über dem ursprünglichen Designwert lag. Durch Verbesserung der Belegungen der Spektrometeroberflächen durch erneutes Ausheizen, Inbetriebnahme des Myonenvetos am Detektor sowie durch die gezielte Modifikation der elektrischen und magnetischen Felder im Spektrometer und Verlagerung der Analysierebene („Shifted Analysis Plane“, SAP) konnte die Untergrundrate um nahezu einen weiteren Faktor drei reduziert werden. Um die Untergrundrate weiter zu reduzieren, wurde an der Entwicklung von Prototypen für einen aktiven, transversalen Energiefilter (aTEF) gearbeitet, die sich die unterschiedlichen Zyklotronradien der Signalelektronen aus dem Tritiumzerfall und der Untergrundelektronen zu Nutze machen sollen. Dazu wurden zwei Technologien verfolgt, die Mikrostrukturierung von Halbleiterdioden (Si-PIN-Dioden) und der 3D-Druck von miniaturisierten Strukturen von organischen Szintillatoren. In ersten „proof of principle“ Messungen konnte das Konzept dieser neuen Technik gezeigt werden, jedoch sind noch weitere Optimierungen notwendig, bis diese Methode zur Untergrundreduktion eingesetzt werden kann. Die Messungen mit dem KATRIN Experiment, zu denen die Verbundpartner entscheidend beitrugen, beschränkten sich nicht nur auf die Messung des β-Spektrums für die Neutrinomasse und der Kalibrationsdaten, sondern enthielten auch viele Spezialmessungen zur Untersuchung und Verbesserung der systematischen Unsicherheiten, u.a. zur genauen experimentellen Bestimmung der Energieverluste von Elektronen im Tritiumgas der Quelle, den Eigenschaften der Rear Wall und des Plasmas in der Quelle. Zur besseren Bestimmung von systematischen Korrekturen, beispielsweise die Verbreiterung der Energieauflösung durch Inhomogenitäten des Plasmapotentials, wurden ab KNM4 alle Messungen des β-Spektrums bei 80K durchgeführt, wo eine Kozirkulation von T2 mit der Kalibrationsquelle 83mKr möglich ist. Die Weiterentwicklung und der Einsatz von Online-Analysesoftware zur Qualitätssicherung der Datennahme war ein weiterer wichtiger Beitrag der Verbundpartner. Diese permanent im Kontrollraum eingesetzten Werkzeuge garantieren während der Messung eine hohe, gleichbleibende Qualität der Daten. Die in einer Datenbank gespeicherten Qualitätsparameter tragen auch in der Analyse zu einer nachvollziehbaren Selektion von guten Runs bei. Das in den letzten Jahren entwickelte Softwarepaket KASSIOPEIA zur Simulation der Elektrontrajektorien und Wechselwirkungen in elektrischen und magnetischen Feldern, wurde kontinuierlich weiter entwickelt und verbessert. Der Vergleich von gemessenen und simulierten Tritiumspektren zeigte eine sehr gute Übereinstimmung. Die inzwischen von mehreren Experimenten eingesetzte, öffentlich zugängliche Open Source-Version dieser Simulationssoftware wurde ebenfalls weiterentwickelt, so dass im Laufe der Förderperiode mehrere Aktualisierungen herausgegeben werden konnten. Weiterführende Arbeiten der Verbundpartner befassten sich in enger Zusammenarbeit mit den Kollaborationspartnern der Technischen Universität München (TUM), den Max-Planck-Instituten für Physik (MPP) und für Halbleiterphysik (HLL) mit der Entwicklung von neuen Pixel-Detektoren auf der Basis von Silizium-Drift-Dioden. Sie sind sie Prototypen für einen neuen Detektor am Ende des Hauptspektrometers, mit einer um eine Größenordung besseren Energieauflösung als der aktuelle PIN-Dioden-Detektor. Mit diesen neuen Detektoren soll ab 2026 die Suche nach der Neutrinomasse und nach neuer Physik jenseits des Standardmodells (sterile Neutrinos) auf einen größeren Energiebereich ausgedehnt werden. Dafür wurde in dieser Förderperiode ein Teststand mit einem supraleitenden Magneten und einer Nachbildung der Detektorkammer aufgebaut, sowie Testmessungen mit dem Monitorspektrometer, einer kleineren Version des MAC-E-Filters, durchgeführt. Die Arbeiten der Verbundpartner wurden in enger Zusammenarbeit mit den nationalen und internationalen Kollaborationspartnern des KATRIN Experimentes durchgeführt. Während der Laufzeit des Verbundprojektes konnten viele Studierende bei den Verbundpartnern ihre Abschlussarbeiten anfertigen (Bachelorarbeiten: 22, Masterarbeiten: 18, Doktorarbeiten: 17) und Erfahrungen in einer internationalen Kollaboration sammeln. Die Ergebnisse der vielfältigen Arbeiten der Verbundpartner wurden in vielen referierten Journalen und auf nationalen und internationalen Konferenzen verschiedener Fachbereiche veröffentlicht. Die wichtigsten Erfolge in dieser Förderperiode war die Veröffentlichung der ersten Neutrinomassengrenze unterhalb von einem eV [1] in Nature Physics. In den kommenden Jahren wird KATRIN weiter Daten nehmen, um das ambitionierte Ziel der Messung der Neutrinomasse oder einer deutlich verbesserten Obergrenze von weniger als 0,3 eV/c2 zu erreichen. Datei-Upload durch TIB