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KATRIN und TRISTAN: Neutrinos und Dunkle Materie

Das Neutrino ist eines der faszinierendsten Teilchen im Standardmodell der Teilchenphysik. Trotz bedeutender Entdeckungen in den letzten zehn Jahren gibt es noch immer eine Reihe an offenen Fragen: Wie schwer ist ein Neutrino? Ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen? Hat das bekannte linkshändige Neutrino einen rechtshändigen Partner? Die Erforschung dieser unbekannten Neutrino-Eigenschaften ist der Schlüssel zu einem besseren Verständnis der Zusammensetzung und Entwicklung des Universums und stellt das Ziel der Arbeitsgruppe KATRIN/TRISTAN dar.

KATRIN

Blick auf das KATRIN-Experiment
Blick auf das KATRIN-Experiment (Foto: KIT)

Das Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) ist ein großangelegtes Experiment zur direkten Bestimmung der Neutrinomasse, das derzeit am Karlsruher Institute für Technologie (KIT) in Betrieb genommen wird. An dem Experiment arbeitet ein internationaler Forschungsverbund mit etwa 150 Mitgliedern von 17 Instituten in sechs verschiedenen Ländern.

Das KATRIN Experiment besteht aus einer ultra-starken Quelle von schwerem Wasserstoff (Tritium) und einem hochpräzisen Spektrometer. Beim radioaktiven Zerfall der Tritiumatome in der Quelle wird ein Elektron und ein Neutrino ausgesendet. Zufallsbedingt teilen sich die beiden Teilchen die Energie, die in dem Zerfall frei wird. Allerdings kann das Elektron niemals die gesamte Zerfallsenergie bekommen: Denn das Neutrino nimmt zumindest die Energie, die seiner Masse entspricht (E=mc2) in Anspruch.

Wenn man also die maximale Energie des Elektrons bestimmt, kann man auf die Masse des Neutrinos zurückschließen. Die Messung der Energie des Elektrons aus dem Tritiumzerfall wird mit dem KATRIN-Spektrometer realisiert. KATRIN wird noch dieses Jahr in Betrieb genommen und hat das Ziel in den nächsten Jahren die Neutrinomasse mit einer Sensitivität von 200 Millielektronenvolt zu bestimmen.

In unserer Arbeitsgruppe konzentrieren wir uns auf die anstehende Datenanalyse und die Entwicklung eines neuartigen Detektorsystems für KATRIN, namens TRISTAN.

TRISTAN

Ein Detektormodul von TRISTAN
Ein Detektormodul von TRISTAN (Foto: S. Mertens)

Wegen seiner exzellenten Quell- und Spektrometer-Eigenschaften erlaubt es das KATRIN-Experiment nicht nur, die Masse des Neutrinos zu bestimmen, sondern auch nach einer neuen Variante des Teilchens zu suchen: Den rechtshändigen Partner des Neutrinos, das so genannte sterile Neutrino.

Sterile Neutrinos werden in vielen Theorien vorhergesagt, ließen sich aber experimentell bisher nicht nachweisen. Sterile Neutrinos im Massebereich von einigen Kiloelektronenvolt stellen einen geeigneten Kandidaten für dunkle Materie dar.

Um KATRIN die Suche nach dunkler Materie zu ermöglichen, muss es mit einem neuen Detektor und Auslesesystem ausgestattet werden: TRISTAN (Tritium Beta Decay to Search for Sterile Neutrinos).

Unsere Gruppe leitet die Entwicklung dieses neuartigen multi-Pixel-Detektorsystems aus Silizium. Dabei arbeiten wir mit dem Halbleiterlabor (HLL) der Max Planck Gesellschaft, dem Lawrence Berkeley National Laboratory, dem Oak Ridge National Laboratory, CEA Saclay, und dem Karlsruhe Institut für Technologie zusammen.

Bereits im Juli 2016 setzte das französische Projekt COCOTE (Compact Compton Telescope) einen Prototyp der Silizium-Detektoren ein. Dabei wurde der Detektor mit einem Ballon in die Stratosphäre geschickt.

Mehr Informationen zur Gruppe "KATRIN/TRISTAN"

Aktuelle Meldungen

11.06.2018

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03.05.2018

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Gruppenmitglieder

Name Funktion Durchwahl www

Altenmueller, Konrad

PhD Student 401

Bode, Tobias

Scientist 401

Broussard, Leah

Scientist 373

Brunst, Tim

PhD Student 401

Edzards, Frank

PhD Student 205

Fuchs, Dominik

Student 373

Ha Minh, Martin

Student 373

Houdy, Thibaut

Scientist 560

Israel Morales Guzman, Pablo

Student 373

Karl, Christian Robert

Student 205

Keller, Stefan

Student 560

Lasserre, Thierry

Scientist 582

Mertens, Susanne, Prof. Dr.

Scientist 590

Paula Vizcaya Hernandez, Ana

PhD Student 361

Pollithy, Anna

PhD Student 583

Roccati, Federico

Student 560

Schlueter, Lisa

Student 419

Schätz, Cornelius

Student 401

Siegmann, Daniel

Student 590

Slezak, Martin

Scientist 583

Steven, Madlen

Student 373

Thorne, Larisa

PhD Student 361

Widmann, Jacob

Student 361

Willers, Michael

Scientist 401

Wright, Aidan

Student 401

Externe Mitglieder

Dr. Thierry Lasserre, ICEA, France
Dr. Julieta Gruzko, UW, USA
Dr. Alexey Lokhov, RAS, Russia

Schlüsselpublikationen

Commissioning of the vacuum system of the KATRIN Main Spectrometer
KATRIN Collaboration
Journal of Instrumentation, Volume 11, April 2016
arxiv:1603.01014

A White Paper on keV Sterile Neutrino Dark Matter
M. Drewes, T. Lasserre, A. Merle, S. Mertens
submitted to Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) (2016)
arxiv:1602.04816

Sensitivity of Next-Generation Tritium Beta-Decay Experiments for keV-Scale Sterile Neutrinos
S. Mertens, T. Lasserre, S. Groh, G. Drexlin, F. Glück, A. Huber, A. W. P. Poon, M. Steidl, N. Steinbrink, C. Weinheimer
Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP) 1502 (2015) 02, 020
arxiv:1409.0920

Wavelet approach to search for sterile neutrinos in tritium beta- decay spectra
S. Mertens, K. Dolde, M. Korzeczek, F. Glück, S. Groh, R. D. Martin, A. W. P. Poon, M. Steidl
Physical Review D 91 (2015) 4, 042005
arxiv:1410.7684

Current Direct Neutrino Mass Experiments
G. Drexlin, V. Hannen, S. Mertens, C. Weinheimer
Advances in High Energy Physics, Volume 2013 (2013)
arxiv:1307.0101