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Spektrometrische Messungen des Neutronenuntergrundes für das CONUS-Experiment zum Nachweis der kohärenten Neutrino-Kern Streuung

19.12.2018

Das Standardmodell der Elementarteilchenphysik sagt sechs Wechselwirkungsarten für Neutrinos mit Materie voraus. Die kohärente Neutrino-Kern-Streuung (coherent neutrino nucleus scattering, CNNS) ist die letzte Wechselwirkung, die bisher noch nicht experimentell nachgewiesen wurde. Ziel des CONUS-Projekts des Max-Planck-Instituts für Kernphysik (Heidelberg) ist der experimentelle Nachweis des CNNS-Prozesses mithilfe neu entwickelter Detektortechniken. Als intensive Neutrinoquelle wird der Kernreaktor des kommerziellen Kernkraftwerks Brokdorf eingesetzt. Die Neutrinos entstehen als Ergebnis der Kernspaltung zusammen mit anderen Reaktionsprodukten wie Neutronen und Gammastrahlen. Das CNNS-Signal wird in einem speziell entwickelten Germaniumdetektor detektiert, der gleichzeitig das Wechselwirkungsmaterial für die Neutrinos darstellt.

Die genaue Kenntnis des Neutronenuntergrundes ist für das CONUS-Experiment von großer Bedeutung, da die Signatur der Streuung eines Neutrons im CONUS-Detektor der Signatur der Streuung eines Neutrinos sehr ähnlich ist. Daher muss der Neutronenuntergrund gut bekannt und verstanden sein. Im Rahmen einer wissenschaftlichen Zusammenarbeit hat die PTB detaillierte spektrometrische Messungen des Neutronenuntergrundes am zukünftigen Messort des CONUS-Experiment durchgeführt. Der Messort befindet sich im Inneren des Reaktorgebäudes in einer Entfernung von 17 m vom Reaktorkern. Abbildung 1 zeigt den Versuchsaufbau für die Messungen, die mit dem Bonnerkugel-Spektrometer NEMUS [1] der PTB durchgeführt wurden.

Experimentelle Aufbau einer Messung

Abb. 1: Der experimentelle Aufbau der Messungen mit dem Bonnerkugel-Spektrometer NEMUS im kommerziellen Kernkraftwerk Brokdorf. Die einzelnen Bonnerkugeln wurden nacheinander an der exakten Position des zukünftigen CONUS-Detektoraufbaus platziert. Im Vordergrund ist ein nackter Neutronenzähler (d.h. ohne eine moderierende Polyethylen-Kugel) zu sehen. Der Neutronenzähler diente während der Messkampagne als Monitor zur Überwachung der Neutronenzählrate.

Für die Neutronendetektion wurde ein kugelförmiger 3He-Proportionalzähler (vom Typ SP9, Centronic Ltd., Großbritannien) im Zentrum der Bonnerkugeln angeordnet. Dafür wurde ein spezieller SP9-Zähler mit sehr niedrigem intrinsischem Untergrund ausgewählt. Dies war entscheidend für den Erfolg der Messung, da aufgrund der massiven Reaktorabschirmung die gemessenen Neutronenzählraten so niedrig waren, dass die Signalraten bzgl. des Eigenuntergrundes des Zählers  korrigiert werden mussten. Die gemessenen Neutronenzählraten sind vergleichbar mit Zählraten, die sonst eher in Untertagelaboratorien beobachtet werden, in denen die PTB zuvor ebenfalls gemessen hatte [2,3]. Für die Datenanalyse wurde ein Ansatz verwendet, der auf Bayes'schen Statistiken basiert und speziell für „Low-Level“-Neutronenmessungen entwickelt wurde [4].

Die Neutronenenergieverteilungen, die sowohl für den „EIN-“, als auch für den „AUS-Zustand“ des Kernreaktors bestimmt wurden, dienen als Eingangsgrößen für detaillierte Monte-Carlo-Simulationen des CONUS-Experiments. Die Messkampagne war erfolgreich und eine gemeinsame Veröffentlichung über die Ergebnisse ist in Vorbereitung.

Literatur:

  1. B. Wiegel and A.V. Alevra:
    NEMUS - the PTB Neutron Multisphere Spectrometer: Bonner spheres and more,
    Nucl. Instrum. Meth. A 476, 36-41 (2002).
  2. A. Zimbal et al.:
    Low-level measuring techniques for neutrons: High accuracy neutron source strength determination and fluence rate measurement at an underground laboratory,
    AIP Conf. Proc. 1549, 70-73 (2013).
  3. M. Reginatto et al.:
    Neutron fluence rate measurements at an underground laboratory: a Bayesian approach,
    AIP Conf. Proc. 1553, 77-83 (2013).
  4. M. Reginatto:
    Determination of the background of 3He-filled proportional counters used for low-level neutron measurements,
    Radiat. Prot. Dosim. 180, 403-406 (2018).