Die geladene Stromreaktion am Kohlenstoff

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Die von der Neutrinoquelle ISIS produzierten Elektron-Neutrinos wechselwirken mit den Kohlenstoffkernen des Mineralöls des KARMEN Detektors durch den Austausch eines geladenen W-Bosons (daher der Ausdruck geladener Strom). Dabei wandelt sich der Kohlenstoffkern unter Emission eines Positrons in ein Stickstoffkern um. Das Positron kann im KARMEN Detektor als promptes Ereignis nachgewiesen werden. Der gebildete Stickstoff-Kern mit der Massenzahl 12 (der gleichen wie Kohlenstoff) ist radioaktiv und zerfällt mit einer Zerfallskonstanten von 15.9 ms zurück zu Kohlenstoff. Da sich der Stickstoffkern während dieser kurzen Zeit kaum bewegt, wird das beim radioaktiven Zerfall freigesetzte Elektron praktisch am gleichen Ort wie das Positron nachgewiesen. Dieses Elektron bildet das sequentielle Ereignis. Der Nachweis der Neutrinoreaktion erfolgt also durch den Nachweis eines zeitlich und rämlich eng korrelierten Ereignispaares.

In einer Meßzeit vom Juli 1990 bis zum Dezember 1995 traf ein Protonenstrom das ISIS Target, der einer gesamten Ladung von 9122 Coulomb entspricht. Dadurch wurden so viele Neutrinos produziert, daß etwa 60 Billionen durch jeden einzelnen Quadratzentimeter Detektorquerschnitt flogen. Dennoch ist die Wahrscheinlichkeit für eine Wechselwirkung der Neutrinos mit Materie so gering, daß in den fünf Jahren nur etwa 500 Ereignisse mit obiger Signatur eindeutig identifiziert werden konnten. Die Messung ist dabei praktisch untergrundfrei (Signal zu Untergrund 35:1), d.h. die Anzahl in der Datenmenge enthaltener, nicht Neutrino-induzierter Ereignisse ist sehr klein. Die folgende Abbildung zeigt die Zeit- und Energieverteilungen der prompten und sequentiellen Ereignisse. Dabei sind in rot die gemessenen Anzahlen von Ereignissen aufgetragen, in blau eine Monte-Carlo Simulation, die der Erwartung einer Messung bei sehr langer Meßzeit entspricht. Die Zeitverteilung des prompten Ereignisses (relativ zum Auftreffen des Protonenstrahls auf das ISIS-Target) zeigt deutlich den Abfall, wie man ihn aus der Zerfallszeit von 2.2 Mikrosekunden der Myonen im ISIS-Target erwartet, die die Elektron-Neutrinos produzieren. Die Differenzzeit zwischen promptem und sequentiellem Ereignis spiegelt die Zerfallszeit des radioaktiven Stickstoffs wieder.

Durch den (für ein Neutrinoexperiment) extrem niedrigen Untergrund ist es möglich, mit Hilfe dieser Reaktion präzise das Standardmodell der schwachen Wechselwirkung zu testen. Dazu wird aus der Energieverteilung der Elektronen das Energiespektrum der Elektron-Neutrinos rekonstruiert und mit der theoretischen Erwartung verglichen. Abweichungen vom Standardmodell würden sich in einer Erhöhung der Ereignisrate am hochenergetischen Ende des Neutrinospektrums zeigen.

Die Neutrale Stromreaktion am Kohlenstoff

Verzichtet man auf den Nachweis eines sequentiellen Ereignisses, so lassen sich zusätzlich zur geladenen Stromreaktion eine ganze Reihe weiterer Neutrinoreaktionen untersuchen. Die Nachweissignatur besteht dabei lediglich aus dem Nachweis eines einzelnen isolierten, prompten Ereignisses, dem kein sequentielles Ereignis nachfolgt. Im folgenden wird eine solche Signatur als Single Prong Reaktion bezeichnet. Die folgende Abbildung zeigt eine Analyse des Energiespektrums der in den Jahren 1990-95 mit KARMEN aufgenommen Single Prong Ereignisse. Das komplexe Spektrum setzt sich aus einer ganzen Reihe unterschiedlicher Neutrinoreaktionen zusammen, die im folgenden näher erläutert werden.

• Die neutrale Stromreaktion ¹²C(n,n')¹²C^* ist für die prominente Peakstruktur im Energiepspektrum bei ca. 14 MeV verantwortlich. Elektron- (n_e) und Myonneutrinos (n_m) aus dem Myonzerfall im ISIS-Traget reagieren über den Austausch von Z₀-Bosonen mit den ¹²C-Kernen des Szintillators. Diese sind im Gegensatz zu den W^±-Bosonen der geladenen Stromreaktion elektrisch neutral, woher die Bezeichnung neutraler Strom rührt. Bei der Reaktion wird hauptsächlich ein bestimmtes Energieniveau mit 15.1 MeV im Kohlenstoff angeregt. Die Anregungsenergie wird praktisch sofort wieder durch die Emission eines Gammaquants mit eben dieser Energie wieder frei. Diese Gammaquanten werden nach ihrer Konversion in geladenen Teilchen im KARMEN-Detektor nachgewiesen und bilden die Peakstruktur im obigen Spektrum. KARMEN konnte diese Reaktion erstmalig nachweisen.

• Die geladene Stromreaktionen ¹²C(n_e,e^-)¹²C_g.s. im Single Prong Energiespektrum sind Reaktionen, bei denen der Nachweis des des sequentiellen Ereignisses z.B. wegen einer zu geringen Energie des Positrons nicht gelang. Damit trägt auch diese Reaktion mit einer sequentiellen Struktur zum Single Prong Energiespektrum bei. Das Energiespektrum endet bei 36 MeV.

• Die geladene Stromreaktion in angeregte ¹²C Zustände ¹²C(n_e,e^-)¹²C^* weist keine sequentielle Struktur auf, da die angeregten ¹²C-Kerne über die sofortige Emission von Protonen in das stabile ¹¹C zerfallen. Die Detektion des Protons findet damit gleichzeitig mit dem Nachweis des Elektrons statt. Auch hier reicht das Energiespektrum aufgrund der Energieschwelle der geladenen Stromreaktion nur bis 36 MeV.

• Natürlich vorkommender Kohlenstoff besteht zu etwa 1.1% aus dem Isotop ¹³C. Die Energieschwelle für die geladene Stromreaktion an ¹³C ¹³C(n_e,e^-)¹³C ist erheblich niedriger als die der Reaktion an ¹²C und damit reicht die Energie der nachgewiesenen Elektronen bis 50 MeV. Darüberhinaus bewirkt die niedrigere Schwelle auch einen höheren Wirkungsquerschnitt, d.h. die Reaktionswahrscheinlichkeit für n_e ist deutlich höher. Dies macht den Nachweis dieser Reaktion trotz des geringen Isotopenanteils von 1.1% erst möglich.

• Die n_e und n_m wechselwirken über Neutrino-Elektron-Streuung mit Elektronen der Atomhüllen der Materialien des KARMEN-Detektors. Diese rein leptonische Reaktion ist theoretisch gut verstanden und wird daher bei der Analyse des Single Prong Energiespektrums als bekannt vorausgesetzt.

• Eine Sonderrolle spielt die geladene Stromreaktion an Eisen ⁵⁶Fe(n_e,e^-)⁵⁶Co, bei der die n_e mit dem Eisen der inneren passiven Abschirmung wechselwirken. Der Nachweis der entstehenden Elektronen erfolgt dabei indirekt, da diese nicht direkt in den Detektor eindringen können. Als geladene Teilchen werden sie noch im Eisen abgebremst und darüber hinaus von den Antizählern detektiert und damit würden die Ereignisse verworfen. Im Eisen selbst ensteht durch die Abbremsung allerdings Bremstrahlung. Die dabei produzierten Gammaquanten treten aus dem Eisen aus und werden nach ihrer Konversion in geladene Teilchen im KARMEN-Detektor nachgewiesen. Damit zeigt das Energiespektrum die typische Form eines Bremsstrahlungsspektrums, das zu niedrigen Energien stark ansteigt aber aufgrund der geringen Schwelle der Reaktion ebenfalls bis 50 MeV reicht.

Durch die Analyse des Single Prong Energiespektrums der in den Jahren 1990-95 aufgenommenen etwa 2000 Neutrinoereignisse konnte eine Vielzahl Neutrino-Kernphysikalischer Fragestellungen behandelt werden. Die Resultate sind unseren Publikationen zu entnehmen, insbesondere sei auf einen aktuellen Übersichtsartikel verwiesen.

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