Das Mainzer Neutrinomassen-Experiment          
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Das Mainzer Neutrinomassenexperiment


- Einführung -

Um durch Messung des Tritium--Spektrums in der Endpunktsregion sensitiv auf die Masse des Elektronantineutrinos zu werden, bedarf es eines Spektrometers mit sowohl hoher Energieauflösung als auch hoher Luminosität. In Mainz wurde zu diesem Zwecke ein neuer Spektrometertyp entwickelt, der sogenannte MAC-E-Filter, d.h. Magnetic Adiabatic Collimation plus Electrostatic Filter. Die wichtigsten Eigenschaften sind in Abbildung 1 illustriert: zwei supraleitende Magnete (im Bild Rechtecke mit diagonalem Linienkreuz) erzeugen ein magnetisches Führungsfeld.

Die im linken Solenoiden von der Tritiumquelle (hellblaues Rechtreck) in den vorderen Halbraum gestarteten -Elektronen werden magnetisch auf Zyklotronbahnen um die magnetischen Feldlinien herum (blaue Linien) in das Spektrometer hineingeführt, der resultierende akzeptierte Raumwinkel beträgt daher nahezu 2 .

Auf dem Weg zur Mitte des Spektrometers fällt die magnetische Feldstärke um fast 4 Größenordnungen ab. Die magnetische Gradientenkraft transformiert daher die Zyklotronenergie fast vollständig in longitudinale Bewegungsenergie des Elektrons. Im unteren Teil der Abbildung wird dieser Sachverhalt am Beispiel der Richtung des Impulsvektors verdeutlicht. Wenn sich die magnetische Feldstärke nur langsam ändert, so transformiert sich der Impuls adiabatisch, so dass das magnetische Moment entlang der Elektronenbahn konstant bleibt:



Diese Transformation kann wie folgt zusammengefaß werden:

Die isotrop von der Quelle emittierten -Elektronen werden in einen breiten Strahl von Elektronen transformiert, die sich fast parellel zu den magnetischen Feldlinien bewegen.

Nun läßt man diesen Strahl gegen ein elektrostatisches Potential anlaufen, welches von einem Elektrodensystem (grün in Abbildung 1) erzeugt wird. Alle die Elektronen, die genügend Energie besitzen, um die elektrostatische Barriere zu überwinden, werden wieder beschleunigt und auf einen Detektor kollimiert. Alle übrigen Elektronen werden reflektiert. Daher funktioniert das Spektrometer wie ein integrierender Energie-Hochpassfilter. Die relative Auflösung dieses Filters ist nur durch die Verhältnis von minimaler magnetischer Feldstärke in der Mittelebene des Spektrometers und maximaler Feldstärke zwischen der radioaktiven Elektronenquelle und Spektrometer gegeben.



Durch Variation des elektrostatischen Retardierungspotentials kann auf diese Weise das -Spektrum gemessen werden.

Als Tritiumquelle dient im Mainzer Neutrinomassen-Experiment ein schockkondensierter Tritiumfilm auf einem Graphit-Substrat (HOPG). Der Film hat einen Durchmesser von 17 mm und eine typische Dicke von 40 nm, was durch Laser-Ellipsometrie gemessen wird.

Von 1995 bis 1997 wurde das Mainzer Spektrometeraufbau modifiziert. Ein zusätzliches Dublett zweier supraleitender Solenoide wurde zwischen der Tritiumquelle und dem Spektrometereingang angebracht (siehe Abbildung 2). Im Inneren dient eine mit flüssigem Helium gekühlte Kyrofläche zur Trennung der Vakua beider Teile der Apparatur: Von der Quelle kommende -Elektronen werden magnetisch ohne Verluste um die Ecke gelenkt. Elektrisch neutrale, aus dem Tritium-Film abdampfende Tritiummoleküle, die zuvor den größten Teil des Untergrunds des Spektrometers verursacht hatten, frieren hingegen in dieser Kryofalle fest.

Als zweite wesentliche Verbesserung ermöglicht ein neuer Kryostat nun Temperaturen unterhalb von 2 K. Rauhigkeitsübergänge des Tritium-Filmes, die in früheren Mainzer Messungen aufgetreten sind und Probleme verursacht hatten, werden auf diese Weise vermieden. Dieser Rauhigkeitsprozess ist ein thermisch aktivierter Diffusionsprozess, so dass niedrige Temperaturen notwendig sind, um so lange Zeitkonstanten zu erreichen, dass sie deutlich über der Dauer einer Messung liegen. Der Tritium-Film wird bei einer Temperatur von 1.86 K innerhalb weniger hundertstel Kelvin über mehrere Monate gehalten.

Die neue Vollautomatisierung der Versuchsapparatur und Fernsteuerung erlauben Messperioden von mehreren Monaten Dauer pro Jahr.


- Ergebnisse -

Anhand verschiedener Untersuchungen konnten wir die Kenntnis der systematischen Unsicherheiten deutlich verbessern. Die größten systematischen Fehler rühren von den physikalischen Eigenschaften des schockkondensierten Tritiumfilms her:
  • Rauhigkeitsübergang des Tritiumfilms:
    Zusammen mit der Arbeitsgruppe von P. Leiderer aus Konstanz untersuchten wir den Rauhigkeitsübergang von schockkondensierten molekularen Wasserstofffilmen, die Abhängigkeit seiner Geschwindigkeit von der Temperatur und vom verwendeten Wasserstoffisotop (L. Fleischmann et al., J. Low Temp. Phys. 119 (2000) 615, L. Fleischmann et al., Eur. Phys. J. B16 (2000) 521). Die Messungen haben gezeigt, dass dieser Prozess bei solch niedrigen Temperaturen wie 1.86 K, bei der seit der Modifikation des Mainzer Versuchsaufbaus die Tritiumfilme aufgefroren und gehalten werden, keine weitere Rolle mehr spielen. Die Daten unserer jüngsten Tritiummessung bestätigen die Gültigkeit dieser Aussage.

  • Inelastische Streuung von -Elektronen innerhalb des Tritiumfilms:
    Wir konnten die Messung unserer Filmdicken mit Hilfe der Laser-Ellipsometrie bishin zu wenigen Prozent relativer Unsicherheit verbessern. Zusammen mit der Gruppe des Neutrinomassen-Experiments in Troitsk/Russland bestimmten wir die Energieverlust-Funktion von -Elektronen im Tritiumfilm durch Messungen mit Konversionselektronen einer 83mKr-Quelle (Aseev et al., Eur. Phys. D10 (2000) 39). Wir fanden Unterschiede zwischen festem und gasförmigen Tritium, die in gutem Einklang mit quantenchemischen Rechnungen von A. Saenz stehen (siehe ebenfalls: Aseev et al., Eur. Phys. D10 (2000) 39).

  • Anregung von Nachbarmolekülen:
    Im Falle eines schockkondensierten Tritiumfilms werden in einigen Prozent der -Zerfälle durch die schnelle Änderung der Kernladungszahl Nachbarmoleküle angeregt. Die geringen Unterschiede, die zwischen der Energieverlust-Funktion von festem und gasförmigem Tritium beobachtet wurden, müssen auch bei dem Prozess der Nachbarschaftsanregung im schockkondensierten Tritiumfilms als Korrektur angewandt werden.

  • Selbstaufladung des Tritium-Films:
    Wie beobachteten die Selbstaufladung des Tritiumfilms, die sich in einer elektrischen Potentialdifferenz von etwa 3 V zwischen oberster und unterster Monolage des Tritiumfilms zeigt. Dieser Effekt hängt der Tatsache zusammen, dass etwa 1 Milliarde Elektronen pro Sekunde den Film verlassen und die positiv geladene Ionen zurückbleiben. Bei Studien mit Koversionselektronen (H. Barth et al., Prog. Part. Nucl. Phys. 40 (1998) 353) charakterisierten wir diesen Effekt, seine Größe und Zeitabhängigkeit.

Die Daten der letzten Messreihen von 1998 und 1999 weisen kein einziges Problem auf (s. den Bereich nahe des Endpunktes Abbildung 3). Die sensitivste Analyse, in der lediglich die letzen 70 eV des -Spektrums unterhalb des Endpunkt berücksichtigt wurden, ergibt



Dies ist verträglich mit einer Neutrinomasse von Null. In Anbetracht der Unsicherheiten bedeutet dieser Wert eine obere Grenze für die Masse des Elektron-Neutrinos von:



Diese Werte sowie eine alternative Analyse



der Daten wurden auf der internationalen Konferenz NEUTRINO 2000 vorgestellt. Sie repräsentieren die weltbeste Sensitivität auf die Neutrinomasse in der direkten Massenbestimmung.

Es sollte erwähnt werden, dass unsere gemessenen Werte für die Masse des Elektron-Neutrinos im sehr wahrscheinlichen Falle der Neutrinomischung einen Mittelwert über alle Neutrinomasseneigenzustände darstellen, die mit ihrer Mischung |Uei2| zum Elektron-Antineutrino beitragen (genauer: wenn die Masseneigenzustände nicht durch das Experiment aufgelöst werden können):



Unsere sehr präzisen Daten eignen sich außerdem zum Test der sogenannten "Troitsk-Anomaly", einem kleinen Überschuss von Ereignissen nahe des Endpunkts des -Spektrums, wie er vom Troisker Neutrinomassen-Experiment berichtet worden ist. Die Mainzer Daten stützen die Troitsker Hypothese nur teilweise; eine abschließende Antwort kann bis jetzt noch nicht gegeben werden. Jedoch steht die postulierte Halbjahresperiode der "Troitsk-Anomaly" im klaren Widerspruch zu den Mainzer Daten.


- Ausblick auf ein großes -Spektrometer mit sub-eV-Sensitivität -

Durch das Sammeln weiterer Daten durch das Mainzer Neutrinomassen-Experiment kann eine Sensitivität auf Neutrinomassen bishin zu etwa 2 eV/c2 erreicht werden. Dies reicht nicht aus zur Klärung der noch offenen Fragen ist der Teilchenphysik (die Bestimmung der Neutrinomassen-Skala sowie die Unterscheidung verschiedener Neutrinomassen-Szenarien) und in der Kosmologie (Beitrag von Neutrinos zur dunklen Materie und ihre Rolle in der Strukturbildung), wie in der Einführung geschildert. Zum Erreichen dieses Ziels ist eine sub-eV-Sensitivität auf die Neutrinomasse erforderlich. Derzeit ist der einzige Weg, Neutrinomassen mit dieser Sensitivität direkt zu messen, noch immer die Untersuchung der Endpunktsregion des Tritium--Spektrums. Der beste Zugang dorthin bietet das Konzept des MAC-E-Filters, der von den Neutrinomassen-Experimenten in Mainz und Troitsk mit großem Erfolg entwickelt und angewendet wurde.

Zum Erreichen von sub-eV-Sensitivität braucht man ein sehr viel größeres Spektrometer, um eine deutlich höhere Signalrate bei gleichzeitig verbesserter Energieauflösung zu erhalten. Unsere Simulationen haben gezeigt, dass ein Spektrometer mit 7 m Durchmesser (siehe Abbildung 4), welches eine etwa 100mal größere effektive Querschnittsfläche in der Analysierebe verglichen mit dem Mainzer Spektrometer hat, eine Sensitivität auf die Neutrinomasse von unter 0.4 eV erreichen würde. Ein solches Experiment würde sowohl von einer gasförmigen molekularen Tritiumquelle wie im aktuellen Troitsker Experiment als auch von einer quench-kondensierten Tritiumquelle wie in Mainz profitieren. Der Vorteil, beide Quelltypen zu haben, liegt darin, dass sie komplementäre systematische Unsicherheiten haben und gegenseitige Überprüfungen erlauben. Mit einer zusätzlichen Time-of-Flight-Analyse wandelt sich das Spektrometer von einem integrierenden Hochpass-Filter in einem Schmalband-Filter (MAC-E-TOF-Modus), der verbesserte Untersuchungen zu systematischen Fehlern ermöglicht, um das Tritium--Spektrum so mit nie dagewesender Genauigkeit auf lokale Anomalien hin zu testen. In einem ersten prinzipiellen Test wurde gezeigt, dass diese neue Methode mit dem gegenwärtigen Mainzer Spektrometer funktioniert (J. Bonn et al, Nucl. Inst. and Meth. A421 (1999) 256).

Gegenwärtig werden Machbarkeit und physikalische Details eines solchen sehr großen Tritium--Spektrometers von den Neutrinogruppen in Karlsruhe, Mainz und Troitsk diskutiert. Ein idealer Ort für dieses Experiment wäre das Forschungszentrum Karlsruhe. Details und wissenschaftliche Betrachtungen dieses zukünftigen Experiments werden auf dem internationalen Workshop in Bad Liebenzell im Januar 2001 diskutiert werden.


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