Forschungszentrum
Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7067
Untergrunduntersuchungen für das KATRIN-Experiment
Frank Schwamm
Zusammenfassung
Die Bestimmung der
Neutrino-Ruhemasse hat eine hohe Priorität in der Neutrinophysik, insbesondere
im Hinblick auf die Ergebnisse von Neutrino-Oszillationsexperimenten und
Doppel-β-Zerfalls-Suchen sowie die aktuellen Messungen der kosmischen
Hintergrundstrahlung, die auf eine kleine, aber von Null verschiedene,
Neutrinomasse hinweisen. Das zurzeit in der Entwicklung befindliche
Tritium-β-Zerfalls-Experiment KATRIN wird in der Lage sein, die Masse des
Anti-Elektron-Neutrinos mit einer Sensitivität von 0.2 eV c-2 (90%
C.L.) zu messen und damit einen Schlüsselbeitrag zur Astroteilchen- und
Neutrinophysik leisten.
Die Sensitivität des Experiments
hängt wesentlich von der Untergrundrate in den Messungen ab. Diese Arbeit
untersucht zwei potenziell sensitivitätslimitierende Ursachen für
Untergrundereignisse und ihre Auswirkung auf den Gesamtuntergrund. Die durch
den Durchgang kosmischer Strahlung durch den Spektrometertank des Experiments
hervorgerufenen Untergrundereignisse wurden im Rahmen dieser Arbeit durch
Messungen am Mainzer Neutrinospektrometer erstmals nachgewiesen und Maßnahmen
zur Minimierung dieser Untergrundkomponente erfolgreich getestet.
Untergrundbeiträge aus der Detektorumgebung sind weiterer wichtiger Bestandteil
des Gesamtuntergrunds. Eine vollständige Monte-Carlo-Simulation dieses
Untergrundanteils auf der Basis von Geant4 war eine wesentliche Aufgabe dieser
Arbeit. Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass das vorgesehene
Detektorkonzept in Hinsicht auf seinen Untergrundbeitrag sehr gut für das
KATRIN-Experiment geeignet und durch sorgfältige Materialselektion ein
Detektoruntergrund von 1mHz erreichbar ist.
Bei einem sorgfältigen Design aller
Experimentkomponenten werden somit der myonkorrelierte Spektrometeruntergrund
sowie der Detektoruntergrund die projektierte Sensitivität des
KATRIN-Experiments nicht limitieren.
Background Studies for the KATRIN Experiment
Abstract
The precise determination of the neutrino rest mass has a
high priority within the field of neutrino physics, due to the recent results
by neutrino oscillation and double-β-decay experiments as well as studies
of the cosmic microwave background
indicating a small but non-zero neutrino mass.
The proposed Tritium-β-decay-experiment KATRIN will be able to
determine the mass of the electron-anti-neutrino with a sensitivity of 0.2 eV c-2
(90% C.L.) and will therefore give a key contribution to astroparticle and
neutrino physics.
This sensitivity depends on the achieved background rate in the
measurements. This thesis studies two major components to the overall
background as well as their effect on the projected sensitivity of the KATRIN
experiment.
In the course of this thesis a measurable contribution of cosmic ray
induced background originating from the spectrometer vessel was detected for
the first time and concepts to minimize this background component were
successfully tested.
Background contributions from the detector and the detector set-up of the
experiment are a further, important part of the total background. A complete
Geant4 Monte-Carlo-simulation of this component is a major part of this work.
The results of the simulation show that the design of the detector set-up is well
suited for the requirements of the KATRIN experiment with respect to its
background activity. A careful selection of materials will achieve a total
detector background of less than 1mHz.
Therefore a careful design of all KATRIN components with respect to
background sources can ensure, that the sensitivity of the KATRIN experiment
will not be limited by their contributions to the total background.
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