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GERDA-Detektor: Neutrinophysik

Sind Neutrinos tatsächlich ihre eigenen Antiteilchen? Warum sind sie so leicht und welche Masse haben sie? Mit dem GERDA-Experiment wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehr über die Eigenschaften von Neutrinos herausfinden.

Neutrinos zählen zu den häufigsten Teilchen im Universum. Sie entstehen zum Beispiel bei der Kernfusion im Inneren von Sternen, auch in der Sonne, und bei der Kernspaltung in Kraftwerken. Da sie nur über die schwache Kraft wechselwirken, sind sie jedoch äußerst schwer nachzuweisen.

Nach heutigen Erkenntnissen gibt es zu jedem bekannten Teilchen ein Antiteilchen mit entgegengesetzter elektrischer Ladung: Anti-Quarks, bzw. Anti-Leptonen (Positron, Anti-Myon und Anti-Tau). Da das Neutrino elektrisch neutral ist, könnte es hier aus der Reihe tanzen und sein eigenes Antiteilchen sein. Wenn sich diese Vermutung im Experiment bestätigen lässt, ergeben sich neue Ansatzpunkte, um die Physik des Universums besser zu verstehen. 

Das GERDA-Experiment

Montage des Schleusensystems für die Phase II des GERDA-Experiments in einem Reinraum-Labor am MPP
Montage des Schleusensystems für die Phase II des GERDA-Experiments in einem Reinraum-Labor am MPP (Foto: A. Griesch/MPP)

Mit dem GERDA-Experiment wird untersucht, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Gesucht wird nach dem sogenannten neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall, der bisher noch nicht beobachtet wurde. Ein Isotop, der diesen extrem seltenen radioaktiven Zerfall zeigen könnte, ist Germanium-76. Daher basiert das Experiment auf Germaniumdetektoren, die mit diesem Isotop angereichert sind.

Beim neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall wandeln sich zwei Neutronen in zwei Protonen und zwei Elektronen um. Dabei werden auch zwei Neutrinos freigesetzt, die sich aber gegenseitig auslöschen können – vorausgesetzt, sie sind ihre eigenen Antiteilchen. Also existiert dieser Zerfall nur, wenn

•    Neutrinos und ihre Antiteilchen identisch sind
•    und eine Masse haben.

Im GERDA-Experiment sind insgesamt 36 Kilogramm an Detektormaterial verbaut. Dies entspricht insgesamt circa 1026 Germanium-76-Kernen. Mit dieser Anzahl von Kernen sollte der Zerfall in wenigen Jahren nachweisbar sein, wenn seine 1026 Jahre oder weniger beträgt.

Misst GERDA einige der hypothetischen und extrem seltenen Zerfälle, wäre das eine mögliche Antwort auf die Frage: Warum im Universum zwar Materie, aber keine Antimaterie mehr zu finden ist – der Schlüssel zu unserer Existenz. Außerdem könnten die Physiker Rückschlüsse auf die Masse der Neutrinos schließen.

Extrem strahlungsarme Umgebung im Untergrund

Schema des GERDA-Experiments: Die Germaniumdetektoren sind in einen mit Edelgas gefüllten Tank eingelassen
Schema des GERDA-Experiments: Die Germaniumdetektoren sind in einen mit Edelgas gefüllten Tank eingelassen (Bild: GERDA)

Da der neutrinolose doppelte Beta-Zerfall so selten ist, muss das GERDA-Experiment bestmöglich von störenden Einflüssen geschützt werden. Daher befindet es sich im Gran Sasso-Untergrundlabor in Italien, wo 1,4 Kilometer Berggestein GERDA vor kosmischer Strahlung aus dem All abschirmt.

Zusätzlich befinden sich die Germaniumdetektoren in einer extrem sauberen Umgebung: in einem mit flüssigem Argon gefüllten Tank aus speziell ausgesuchtem Stahl mit sehr niedriger Strahlungsrate. Dieser Behälter wiederum ist in einen mit hochreinem Wasser gefüllten Tank von zehn Metern Durchmessern eingelassen.

Die GERDA-Kollaboration besteht aus etwa 120 Mitgliedern aus 16 Instituten in sechs europäischen Ländern, darunter die Max-Planck-Institute für Physik (MPP) und Kernphysik. Die GERDA-Gruppe am MPP war für den Bau des Reinraums über dem Kryostaten und für die Entwicklung und den Bau der Infrastruktur verantwortlich, mit der die Detektoren in den Argon-Tank versenkt werden, das so genannte Schleusensystem.

Mehr Informationen zur Gruppe "GERDA"

Aktuelle Meldungen

11.07.2016 Forschung/research

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01.02.2016 Neues aus dem MPP/new at MPP

Stefan Schönert, Professor für Experimentelle Astroteilchenphysik an der Technischen Universität München (TUM), ist seit kurzem Max Planck Fellow am MPP, wo er im Bereich Dunkle Materie und Neutrinophysik forschen wird. Das Fellow-Programm der Max-Planck-Gesellschaft hat das Ziel, die Zusammenarbeit...

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Gruppenmitglieder

Name Funktion Durchwahl www

Caldwell, Allen, Prof. Dr.

Director 529

Du, Qiang

415

Eck, Simon

Student 242

Fischer, Felix

Student 566

Gooch, Christopher

Engineering 242

Kneißl, Raphael

PhD student 415

Krätzschmar, Thomas

Student 566

Li, Kai Hong

Student 207

Liao, Heng-Ye

Scientist 327

Majorovits, Béla, PD Dr.

Scientist 262

Schulz, Oliver, Dr.

Scientist 521

Vanhoefer, Laura

PhD Student 337

Zsigmond, Anna Julia, Dr.

Scientist 337

Schlüsselpublikationen

Production, characterization and operation of 76Ge enriched BEGe detectors in GERDA
GERDA collaboration
EPJC 75 (2015) 39
arxiv:1410.0853

Results on Neutrinoless Double-β Decay of 76Ge from Phase I of the GERDA Experiment
GERDA collaboration
Phys. Rev. Lett 111 (2013) 122503
arxiv:1307.4720

Results on ββ decay with emission of two neutrinos or Majorons in 76Ge from GERDA Phase I
GERDA Collaboration
Eur. Phys. J. C 75 (2015) 416
cover page of EPJC vol 75/9
arxiv:1501.02345

Pulse shape discrimination for GERDA Phase I data
GERDA collaboration
Eur. Phys. J. C 73 (2013) 2583
arxiv:1307.2610

The background in the 0νββ experiment GERDA
GERDA collaboration
Eur. Phys. J. C 74 (2014) 2764

The GERDA experiment for the search of 0νββ decay in 76Ge
GERDA collaboration
Eur. Phys. J. C 73 (2013) 2330
arxiv:1212.4067