Tieftemperatur-Detektoren und Datenanalyse

• Antragstellerin: Privatdozentin Dr. Loredana Gastaldo
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254114301

Ein zentrales Ziel des ECHo-Experiments ist die Messung eines hochaufgelösten Spektrums des EC-Zerfalls von Ho-163 mit großer Statistik mit Hilfe von großen Detektor-Arrays von metallischen magnetischen Mikrokalorimetern implantiert mit Ho-163. MMCs sind Tieftemperaturdetektoren mit exzellenter Energieauflösung, schneller Anstiegszeit und zuverlässiger Energiekalibration. In der ersten Phase von ECHo konnten die thermodynamischen Eigenschaften von Ho-implantierten MMCs für das ECHo-1k-Experiment erfolgreich bestimmt werden und wir konnten so zeigen, dass eine 10 Bq entsprechende Menge an Holmium in jedem MMC die Energieauflösung der Detektoren noch nicht nennenswert verschlechtert, und haben Verfahren entwickelt mit denen die entsprechende Dosis in die Mikrokalorimeter implantiert werden kann. Die hierbei erzielten Ergebnissen waren von unschätzbarem Wert für das Design der Detektor-Arrays von ECHo-1k und die Planung der zweiten Phase ECHo-100k. In anderen Experimenten, wie der Messung im Untergrund Labor in Modane, standen die Form des Spektrums im Focus, insbesondere die Relevanz von angeregten Zuständen des Tochteratoms Dy-163. Des Weiteren wurden Analyse-Werkzeuge entwickelt, um den Effekt von massiven Neutrinos auf das EC-Spektrum von Ho-163 zu studieren. In der vorgeschlagenen zweiten Phase planen wir das Experiment ECHo-100k durchzuführen, in dem 100 kBq an Ho-163-Aktivität in etwa 12000 Detektoren eingeschlossen sein wird. Die Analyse des Spektrums, das aus etwa 10^13 Ereignissen bestehen wird, wird bereits eine Untersuchung der Neutrinomasse bis unter 2eV/c^2 erlauben. WG2 wird wieder zwei unterschiedliche Aspekte vorantreiben: zum einen das Design, die Herstellung, die Installation und den Betrieb der MMC-Detektor-Arrays. Zum anderen die Entwicklung von Analyse-Werkzeugen für die Datenreduktion und für die Analyse des Ho-163-Spektrums, insbesondere für die Analyse des Endpunkts. Auf beiden Gebieten wollen wir zusätzlich die Skalierbarkeit der erarbeiteten Ansätze für eine zukünftige Phase von ECHo demonstrieren. Des Weiteren werden wir Schlüsselexperimente zur Verständnis des EC-Spektrums durchführen, wie z.B. die Bestimmung des nach dem EC-Zerfalls emittierten Röntgenspektrums. Kombiniert mit der Analyse der Untergrundrate in WG4 und der Erarbeitung der theoretisch erwarteten Form des Spektrums in WG6 werden diese Arbeiten zu einer wichtigen Reduktion der systematischen Unsicherheiten bei der Analyse der Endpunktregion des Ho-163 Spektrums zur Bestimmung der Neutrinomasse führen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2202: Neutrino Mass Determination by Electron Capture in Holmium-163 (ECHo)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Christian Walter Dietrich Enss