Eine Suche nach Doppelbeta-Zerfaellen von Cadmium-, Zink- und ...

0. Einleitung
Neutrinos spielen im Standardmodell der Teilchenphysik, innerhalb dessen die Wechselwirkungen
der bekannten Elementarteilchen beschrieben werden, eine besondere Rolle.
Sie sind nahezu masselos, tragen keine elektrische Ladung und nehmen ausschließlich
an der schwachen Wechselwirkung teil. Die Glashow-Weinberg-Salam-Theorie (GWS)
vereint die elektromagnetische und die schwache Wechselwirkung [1, 2, 3] und steht in
guter Übereinstimmung mit bisherigen experimentellen Resultaten. Danach treten Neutrinos
im Gegensatz zu den verbleibenden Fermionen in einer reduzierten Anzahl von
Zuständen (asymmetrisch) als links-chirale Neutrinos und rechts-chirale Antineutrinos
in Wechselwirkung.
Der Doppelbeta-Zerfall ist ein spezieller Kernzerfall und kann als der simultane β-
Zerfall zweier Nukleonen erklärt werden. Innerhalb der theoretischen Beschreibung des
neutrinolosen Doppelbeta-Zerfalls (0νββ-Zerfall) nimmt die Natur der Neutrinos und
deren Wechselwirkungen einen zentralen Punkt ein. Anhand der Übergänge kann bestimmt
werden, ob das Neutrino ein sogenanntes Dirac- oder ein Majorana-Teilchen ist
und inwiefern chirale Zustände über die Beschreibung innerhalb der GWS-Theorie hinaus
in Wechselwirkung treten. Die Existenz dieser Kernzerfälle kann nicht im Rahmen
des Standardmodells erklärt werden.
Der 0νββ-Zerfall wird momentan in verschiedenen Experimenten untersucht. CO-
BRA (Cadmium-Zinc-Telluride O-Neutrino double-Beta Research Apparatus) besteht
aus kompakt angeordneten Cadmium-Zink-Tellurid-Kristallen (CdZnTe) und betrachtet
die möglichen Kernzerfälle der enthaltenen Isotope. Dazu gehört die Bestimmung von
Grenzen für Halbwertszeiten von neutrinolosen Doppelbeta-Zerfällen, für die gilt:
T1/2 ∼ ɛ
Z exp
Unt
Darin bezeichnen ɛ die Nachweiseffizienz des Kernzerfalls und Z exp
Unt
.
die Zählrate von
Ereignissen in den experimentellen Daten.
In der vorliegenden Arbeit werden Methoden entwickelt, neutrinolose Doppelbeta-
Zerfälle in einem quaderartigen Aufbau bestehend aus (4 · 4) CdZnTe-Detektoren, die
jeweils ein Volumen von 1 cm 3 besitzen, zu identifizieren. Dabei werden zeitlich koinzidente
Energieeinträge in verschiedenen Kristallen, die aus den Wechselwirkungen der
unterschiedlichen am Kernzerfall beteiligten Teilchen mit dem Absorbermaterial resultieren,
analysiert. Anhand von Monte-Carlo-Simulationen der 0νββ-Zerfälle mit dem
Programm VENOM (Vicious Evil Network Of Mayhem) werden Suchstrategien nach
jeweils charakteristischen Verteilungen von Signalen in mehreren Detektoren (Signatur)
5