applicationContext = Production

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

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 wurde im Juni 2018 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

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 Politecnico di Milano, der Bicocca di Milano, dem Lawrence Berkeley National Laboratory, dem Oak Ridge National Laboratory, der CEA Saclay und dem Karlsruher 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"

Gruppenmitglieder

Name Funktion Durchwahl Raum www

Brunst, Tim

PhD-Student 401 030C

Dai, Joel

Student 401 030C

Edzards, Frank

PhD-Student 205 020C

Gupta, Vikas

Student 205 020C

Ha Minh, Martin

Student 560 018C

Hoffmann, Leander

Student 401 030C

Houdy, Thibaut, Dr.

Scientist 560 018C

Karl, Christian Robert

PhD-Student 205 020C

Koehler, Christoph

Student 361 025C

Lasserre, Thierry, Dr.

Scientist 582 022C

Lebert, Manuel

Student 361 025C

Meier, Matthias

Student 361 025C

Mertens, Susanne, Prof. Dr.

Scientist 590 019C

Pollithy, Anna

PhD-Student 583 029C

Schlueter, Lisa

Student 419 021C

Schwemmer, Alessandro

Student 373 28c

Siegmann, Daniel

Student 401 030C

Slezak, Martin, Dr.

Postdoc 583 029C

Urban, Korbinian

Student 361 025C

Werner, Diana

Secretary 364 215

Widmann, Jacob

Student 361 025C

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