Untersuchung kohärenter Neutrino-Kern-Streuung mit NUCLEUS

Neutrinos sind elektrisch neutrale Elementarteilchen, die sich aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit Materie nur schwer nachweisen lassen. Typischerweise sind dafür Detektoren mit riesigem Volumen erforderlich. Eine erst vor kurzem etablierte Technik, die kohärente Neutrino-Kern-Streuung erhöht nun aber die Nachweiswahrscheinlichkeit von Neutrinos beträchtlich. Dazu werden geeignete Kristalle hergestellt und auf tiefe Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt, wir sprechen von kryogenen Detektoren. Streut nun ein Neutrino an einem Atomkern, wird das Gitter des Kristalls in Schwingungen versetzt, was gleichbedeutend mit seiner Temperaturerhöhung ist. Hochempfindliche Sensoren weisen diese Temperaturänderung nach. Anstelle von tonnenschweren Detektoren reichen nun bereits Detektorkristalle mit einem Gesamtgewicht von wenigen Gramm aus. Das NUCLEUS Experiment möchte auf diese Weise Neutrinos detektieren und charakterisieren, die nach der Kernspaltung im Brennstoff eines Kernkraftwerks entstehen. Dafür ist es erforderlich zu verstehen, wie genau die Detektorkristalle auf die Energieänderung durch Neutrinostreuung reagieren. Im erwarteten Energiebereich niedriger Energien ist diese Detektorantwort aber nicht hinreichend gut bekannt und wird aktuell nur abgeschätzt. Für eine Kalibrierung der Kristalle im relevanten Energiebereich wurde das CRAB Projekt ins Leben gerufen. Hier wird auf ein weiteres neutrales Elementarteilchen zurückgegriffen, das Neutron. Wird ein Neutron von einem Atomkern des Detektorkristalls absorbiert, wird dieser Atomkern angeregt und kann seine überschüssige Energie durch Emission von Gammastrahlung genau definierter Energie wieder abgeben. Dadurch wird ein Rückstoß des Atomkerns verursacht, für den die Antwort des Detektors experimentell bestimmt werden kann. Auf diese Weise wird die Energieskala der Kristalle für die Neutrinostreuung geeicht. Im Rahmen des Projekts wird ein Neutronenstrahl aus dem TRIGA Reaktor der TU Wien am Atominstitut geeignet konfiguriert und auf einen Kryostaten gelenkt, in dem sich der Detektorkristall auf tiefen Temperaturen befindet. Zum Nachweis der Wechselwirkungskette aus Neutronenabsorption, Gammaemission und Kristallanregung werden die gleichen Sensoren wie für den Nachweis der kohärenten Neutrino-Kern-Streuung verwendet, was für die Güte der Kalibrierung von großem Vorteil ist. Ziel der Neutrinoforschung mit kryogenen Detektoren ist ein präziser Test des so erfolgreichen Standardmodells der Teilchenphysik, beim dem aus vielerlei Richtungen nach möglichen Abweichungen gesucht wird. Hier wäre es der Nachweis einer Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie, die nicht den Vorhersagen des Standardmodells entspricht. Auch zur Suche nach Dunkler Materie werden kryogene Detektoren eingesetzt. Die Energiekalibrierung durch CRAB kann damit auch in diesem Bereich direkt angewendet werden. Weitere Anwendungen können sowohl für die Kernphysik als auch für die Reaktorphysik erwartet werden.