COBRA

Das Akronym COBRA steht für Cadmium-Zinc-Telluride O-neutrino double-Beta Research Apparatus. Das Experiment hat sich zum Ziel gesetzt, den neutrinolosen Doppelbeta-Zerfall in CdZnTe-Halbleiterkristallen nachzuweisen.

Inhalt

Der doppelte Betazerfall

Der doppelte Betazerfall ist ein Prozess zweiter Ordnung, bei dem die Protonenzahl Z eines Kerns um zwei Einheiten geändert wird, während die Massenzahl A konstant bleibt:

(Z,A) → (Z+2,A) + 2e- + 2νe

Betrachtet man die Bindungsenergie von Kernen mit gerader Massenzahl A in Abhängigkeit von der Kernladungszahl Z, so ergibt sich nach der Bethe-Weizäcker-Formel eine Aufspaltung in zwei Parabeln für gg-Kerne (gerade Protonenzahl Z und gerade Neutronenzahl N) und für uu-Kerne (ungerade Protonenzahl Z und ungerade Neutronenzahl N). Beim einfachen Betazerfall zerfällt ein gg-Kern unter Emission eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos in den benachbarten uu-Kern. Liegt allerdings der uu-Kern energetisch höher als der gg-Ausgangskern, ist der einfache Betazerfall energetisch verboten. Durch den doppelten Betazerfall kann diese Energiebarriere quantenmechanisch durchtunnelt werden und der betrachtete gg-Kern geht in den benachbarten gg-Kern über (siehe Abbildung rechts).

Neben dem Zerfall in zwei Elektronen (2β-), bei dem zwei Neutronen in zwei Protonen übergehen, ist auch der entgegengesetzte Fall möglich, bei dem zwei Protonen in zwei Neutronen übergehen. Dieser Übergang ist auf drei Arten möglich.

2β+-Zerfall:

(Z,A) → (Z-2,A) + 2e+ + 2νe

zweifacher Elektroneneinfang:

(Z,A) + 2e- → (Z-2,A) + 2νe

Elektroneneinfang und β+:

(Z,A) + e- → (Z-2,A) + e+ + 2νe

Der Elektroneneinfang (engl. electron capture, EC) findet zumeist in der K-Schale statt, deswegen wird er auch oft K-Einfang genannt. Das Elektron kann allerdings auch in der L- oder M-Schale eingefangen werden.

Momentan sind 35 Isotope bekannt, die dem 2β--Zerfall unterliegen. Für den 2β+-Zerfall sind 6 Isotope bekannt.

Der neutrinolose Doppelbeta-Zerfall

Der neutrinolose Doppelbetazerfall ist nach dem Standard-Modell verboten, da sich die Leptonenzahl um zwei Einheiten ändert und damit die Leptonenzahlerhaltung verletzt ist.

(Z,A) → (Z+2,A) + 2e-

Dieser Zerfall kann als Sequenz zweier Zerfälle interpretiert werden. Zunächst zerfällt ein Neutron unter Emission eines rechtshändigen Anti-Elektronneutrinos. Dieses wird anschließend am zweiten Vertex als linkshändiges Elektronneutrino absorbiert:

(Z,A) → (Z+1,A) + e- + νe

(Z+1,A) + νe → (Z+2,A) + e-

Damit dieser Vorgang möglich ist, müssen zwei Voraussetzungen gegeben sein:

Das Neutrino ist sein eigenes Antiteilchen (Majorana-Neutrino)
Zwischen den Vertizes muss eine Helizitätsanpassung stattfinden

Die zweite Voraussetzung bedeutet, dass das Neutrino eine endliche Masse haben muss. Dieser Umstand ist durch eine Vielzahl von Neutrinooszillationsexperimenten in den vergangenen Jahren bestätigt worden.

Der Nachweis des 0νββ-Zerfalls

Der Nachweis des neutrinolosen Doppelbetazerfalls soll über das Summenenergiespektrum der emittierten Elektronen erfolgen. Im Gegensatz zum neutrinobegleiteten Zerfall erhält man keine kontinuierliche Energieverteilung der Elektronen, da die Neutrinos keine Energie wegtragen können Dafür erhält man am Wert für die Zerfallsenergie (Q-Wert) einen scharfen Peak. Die effektive Majorana Neutrinomasse mν lässt sich dann aus der gemessen Halbwertszeit des Zerfalls bestimmen:

(T_1/2)^-1 = G^0ν(Q,Z) |M^0ν|² m_ν²/m_e²

Dabei ist G^0ν(Q,Z) der Phasenraumfaktor und |M^0ν| das Kernmatrixelement für diesen Zerfall.
Gegenüber dem neutrinobegleiteten Doppelbetazerfall ist der neutrinolose Doppelbetazerfall allerdings um den Faktor Q⁶ unterdrückt. Neueste Berechnungen ergeben für den neutrinolosen Doppelbetazerfall eine Halbwertszeit von über 10²⁵ Jahren. Dies bedeutet, dass man für 1 Ereignis pro Jahr eine Quellmasse in der Größenordnung von 100 kg braucht.

Das COBRA-Experiment

Das COBRA-Experiment wird aus etwa 64000 Cadmium-Zink-Tellurid (CZT) Halbleiterdetektoren bestehen, die zusammen eine Quellmasse von etwa 400 kg haben. Jeder CZT-Detektor ist etwa 1cm³ groß und wiegt 6,53 g. Der modulare Aufbau ermöglicht dabei eine einfache Aufstockung des Detektormaterials. Das wichtigste Isotop zur Untersuchung des 0νββ-Zerfalls ist dabei ¹¹⁶Cd.

Folgende Vorteile bietet das COBRA-Experiment

Das Quellmaterial ist gleichzeitig der Detektor
Die Halbleiter bieten eine gute Energieauflösung
Durch den modularen Aufbau sind Koinzidenz-Messungen möglich
COBRA kann mehrere Isotope untersuchen
CZT-Detektoren werden industriell gefertigt und sind schnell verfügbar
CZT-Detekoren arbeiten bei Raumtemperatur, wodurch man keine aufwendige Kühlung benötigt
Neuesten Berechnugen zufolge ist die Halbwertszeit von ¹¹⁶Cd kürzer als die von ⁷⁶Ge

Die folgende Tabelle gibt eine Übersicht über die Isotope in CZT-Detektoren, die über den doppelten Betazerfall zerfallen können.

Isotop	Q-Wert (keV)	Zerfallsmodus	nat. Isotopenhäufigkeit
⁷⁰Zn	1001	β^-β^-	0,62%
¹¹⁴Cd	534	β^-β^-	28,7%
¹¹⁶Cd	2804	β^-β^-	7,5%
¹²⁸Te	868	β^-β^-	31,7%
¹³⁰Te	2529	β^-β^-	33,8%
¹⁰⁶Cd	2771	β⁺β⁺	1,21%
⁶⁴Zn	1096	β⁺/EC	48,6%
¹²⁰Te	1722	β⁺/EC	0,1%
¹⁰⁸Cd	231	EC/EC	0,9%

Nur Isotope mit einem hohen Q-Wert kommen für 0νββ-Experimente in Betracht, da die Zerfallsrate mit Q⁵ skaliert. ¹¹⁶Cd ist dabei nicht nur wegen seiner kurzen Halbwertszeit von Interesse. Zum Einen lässt sich ¹¹⁶Cd sehr hoch anreichern (bis zu 90%), zum Anderen hat es mit 2814 keV einen Q-Wert, der über der Energie für den höchsten natürlichen Gammauntergrund liegt (²⁰⁸Tl, 2614 keV).

Untergrund

Für ein Niedrigratenexperiment wie COBRA ist die Reduzierung des Untergrunds entscheidend für den Nachweis des neutrinolosen Doppelbetazerfalls. Folgende Ereignisse tragen hauptsächlich zum Untergrund bei COBRA bei:

natürliche Zerfallsreihen (U, Th)
Alpha-, Beta-Strahlung
hochenergetische Gammastrahlung
kosmogenische Radionuklide
thermische Neutronen
Neutronen aus Myon-Wechselwirkungen
2νββ-Zerfälle

In dieser Abbildung ist für das COBRA-Experiment die Sensitivität auf die Halbwertszeit gegenüber der Messdauer aufgetragen. Deutlich ist zu erkennen, dass neben einer hohen Anreicherung von 116Cd und einer hohen Energieauflösung die Reduzierung der Untergrundrate entscheidend für den Nachweis des 0νββ-Zerfalls ist.

Das COBRA-Experiment wird im LNGS-Untergrundlabor (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in den italienischen Abbruzzen aufgebaut werden. Durch die Überdeckung mit 1400 m Felsgestein wird die Anzahl kosmischer Myonen um den Faktor 106 und die Anzahl thermischer Neutronen um den Faktor 103 gegenüber der Erdoberfläche unterdrückt. Ein geeignetes Shielding ist notwenig, um auch die weiteren Untergrundquellen im geforderten Maße zu unterdrücken.

Beitrag der Universität Hamburg

Monte-Carlo-Simulationen

Zur Reduzierung der Untergrundrate im COBRA-Experiment ist die Entwicklung und der Aufbau eines geeigneten Shieldings von großer Bedeutung. Die Universität Hamburg untersucht mit Hilfe von Monte-Carlo-Simulationen die erwarteten Untergrundereignisse und erarbeitet ein Konzept zur Abschirmung der CZT-Detektoren.

Studien zu Flüssigszintillatoren

Ein möglicher Bestandteil für das Shieldung des OPERA-Experiments ist ein Tank mit Flüssigszintillator, in dem die Untergrundereignisse detektiert werden können. An der Universität Hamburg wird untersucht, ob man die CZT-Detektoren in Flüssigszintillator betreiben kann. Die Konstruktion eines geeigneten Testtanks und die anschließende Kalibration des Aufbaus ist Bestandteil der Arbeit.