Entwicklung von kryogenen Photonen- und Phononendetektoren gekoppelt an szintillierende Kristalle

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Loredana Gastaldo
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501391207

Der doppelte Betazerfall, bei dem zwei Elektronen und zwei Elektron-Antineutrinos gleichzeitig von einem Kern emittiert werden, ist ein Prozess, der im Standardmodell der Teilchenphysik vorgesehen ist und zum führenden Prozess wird, wenn der einfache Betazerfall aufgrund von Energieerhaltung oder großer Drehimpulsänderung verboten ist. Denkt man außerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik und berücksichtigt die Verletzung der Gesamtleptonenzahl, könnte ein doppelter Betazerfall ohne die Emission der beiden Elektron-Antineutrinos existieren.Dieser so genannte neutrinolose Doppelbetazerfall (0v2b) impliziert, dass Neutrinos massive Majorana-Teilchen sind. Während der doppelte Betazerfall mit der Emission von zwei Elektron-Anti-Neutrinos für mehrere Nuklide beobachtet wurde und eine Halbwertszeit in der Größenordnung von 10^19 - 10^21 Jahren aufweist, konnte der 0v2b noch nicht experimentell nachgewiesen werden. Die Existenz eines solchen Prozesses würde eine Richtung für das Verständnis der fundamentalen Eigenschaften von Neutrinos vorgeben und damit auch für die Erweiterung des derzeitigen Standardmodells der Teilchenphysik. Diese attraktive Perspektive hat viele Kollaborationen motiviert, sehr anspruchsvolle Experimente für die Suche nach diesem sehr seltenen Prozess zu bauen, wobei die Möglichkeit erreicht wurde, eine Halbwertszeit in der Größenordnung von 10^26 Jahren zu testen und bereits die nächste Generation von Experimenten zu planen, bei denen eine Halbwertszeit in der Größenordnung von 10^28 Jahren getestet werden könnte. Dieser Antrag zielt auf die Entwicklung von integrierten Photonen- und Phononendetektoren mit hoher Energieauflösung, genannt P2, basierend auf Tieftemperatur metallischen magnetischen Kalorimetern (MMC), die an szintillierende Kristalle gekoppelt werden, die Mo-100 enthalten. Wir wollen zeigen, dass das vorgeschlagene Detektordesign im Vergleich zu den bereits verwendeten Photonen- und Phononendetektoren eine bessere Leistung in Bezug auf Energie- und Zeitauflösung. Die Verbesserung dieser beiden Schlüsselparameter wird zu einer erheblichen Verringerung des Hintergrunds führen, indem der Bereich, in dem nach 0v2b gesucht werden muss, verkleinert wird (Energieauflösung) und indem der Beitrag der Mo-100-Pile-up-Ereignisse zum Hintergrund verringert wird (Zeitauflösung). Darüber hinaus schlagen wir vor, die Verwendung eines Phononendetektors zu untersuchen, der aus drei unabhängigen MMC besteht, um die Position des Zerfal anhand Pulsform Analyse zu bestimmen. Die Möglichkeit, ein Innervolumen zu definieren, wird von größter Bedeutung sein, um Oberflächenereignisse Hintergrund zu entfernen. Die vorgeschlagene Entwicklung ist Teil der Detektoroptimierung für das AMoRE Experiment. Darüber hinaus könnten solche Detektoren eine Schlüsselrolle bei Experimenten zur Beobachtung direkter Wechselwirkungen mit dunkler Materie sowie bei Messung der kohärenten elastischen Neutrino-Kernstreuung spielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Süd-Korea
• Kooperationspartner: Professor Yong-Hamb Kim