applicationContext = Production

TRISTAN-Detektor

Die Suche nach sterilen Neutrinos

Mit dem TRISTAN-Experiment („Tritium Beta Decay to Search for Sterile Neutrinos”) suchen Wissenschaftler*innen nach sterilen Neutrinos. Sterile Neutrinos sind hypothetische Teilchen, die in einigen Theorien jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik vorhergesagt werden. Sie wären schwerer als die bekannten aktiven Neutrinos – und würden schwächer wechselwirken als diese. Besonders interessant sind sterile Neutrinos, da sie einige Rätsel des Universums lösen könnten. Zum Beispiel wäre ein steriles Neutrino mit einer bestimmten Masse ein geeigneter Kandidat für die Dunkle Materie im Universum.

Eine Quelle für sterile Neutrinos ist das KATRIN-Experiment am Karlsruhe Institut für Technologie. Das Ziel des KATRIN Experiments, das auch die genaueste Waage der Welt genannt wird, ist die Bestimmung der Masse der aktiven Neutrinos. Erweitert man allerdings das Instrument um einen hochauflösenden Detektor, kann der Aufbau zur Suche nach Sterilen Neutrinos benutzt werden. Solch ein neuartiges Detektorsystem – TRISTAN – wird derzeit am MPP entwickelt.

Um die Neutrinomasse zu bestimmen, misst KATRIN mit hoher Präzision das Energiespektrum der Elektronen aus dem radioaktiven Zerfall von Tritium. Bei diesem Zerfall entsteht neben dem Elektron auch ein Neutrino. Diese beiden Elementarteilchen teilen sich die beim Zerfall freiwerdende Energie von 18,6 Kiloelektronenvolt statistisch auf. Allerdings kann das Elektron niemals die gesamte Zerfallsenergie aufnehmen, da es ja mindestens die Energie, die der Neutrinomasse entspricht, an das Neutrino abgeben muss.

Wie lassen sich die seltenen Neutrinos nachweisen?

Mit sehr geringer Wahrscheinlichkeit ist es theoretisch möglich, dass beim Zerfall statt eines aktiven Neutrinos ein steriles erzeugt wird. Das passiert höchstens in jedem Millionsten Zerfall. In diesem Fall nimmt das sterile Neutrino dem Elektron deutlich mehr Energie weg, da es ja viel schwerer ist als ein gewöhnliches Neutrino. Die Konsequenz daraus ist, dass das Energiespektrum der Elektronen auf eine charakteristische Weise verzerrt wird. Nach dieser Signatur eines sterilen Neutrinos soll mit dem neuen Detektorsystem TRISTAN gesucht werden.

Die besondere Herausforderung des TRISTAN-Detektors ist es eine hohe Rate von Elektronen verarbeiten zu könnten und gleichzeitig eine exzellente Energieauflösung zu liefern. Eine geeignete Detektortechnologie sind Siliziumdriftdetektoren (SDD).

Der TRISTAN-Detektor ist aus 21 modularen Siliziumdriftdetektoren mit je 166 Pixeln aufgebaut. Er wird in Zusammenarbeit mit dem Halbleiterlabor (HLL) der Max-Planck-Gesellschaft, dem Politecnico di Milano, der Universität Bicocca di Milano, dem Lawrence Berkeley National Laboratory, dem Oak Ridge National Laboratory, dem CEA Saclay und dem Karlsruher Institut für Technologie entwickelt.

Nach einer erfolgreichen Testphase hat unsere Gruppe 2019 den Prototyp des Detektors erfolgreich im Vorgängerexperiment von KATRIN (TROITSK-nu-mass Experiment) integriert; ein erster Suchlauf nach sterilen Neutrinos wurde bereits durchführt. Natürlich war die Sensitivität dieses Aufbaus noch nicht gut genug um diese neuen Teilchen finden zu können. Wir konnten aber zeigen, dass die Suche prinzipiell funktioniert. Seit 2019 kommt der Prototypdetektor auch schon im KATRIN-Strahlrohr zum Einsatz: dort misst er mit hoher Präzision die Stabilität der Tritiumquelle.

Anfang 2020 wurde der Detektor der nächsten Generation fertiggestellt. Die Gruppe am MPP ist jetzt damit beschäftigt diesen zu charakterisieren und ein sogenanntes Detektormodul, ein Detektorsystem mit mehr als 100 Pixeln zu entwickelt. Der finale Detektor wird aus 21 solcher Module bestehen. In ein paar Jahren kann also die Suche nach sterilen Neutrinos mit KATRIN und dem neuen TRISTAN Detektor beginnen.