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GERDA – Germanium Detector Array

Mit Hilfe von Germaniumdetektoren soll beim GERDA-Experiment das Rätsel um die Neutrinos gelöst werden. Die Wissenschaftler wollen mit GERDA mehr über die Charaktereigenschaften von Neutrino-Teilchen herausfinden. Beispielsweise welche Ruhemasse besitzen Neutrinos und sind sie wirklich ihre eigenen Antiteilchen?

Animationsfilm: Das GERDA-Experiment

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Unter den höchsten Gipfeln der italienischen Abruzzen befindet sich das GERDA-Experiment am Gran Sasso Untergundlabor, das größte unterirdische Labor für Astroteilchenphysik der Welt. Das Gestein schirmt das GERDA-Experiment vor Strahlung aus dem All ab, um die empfindliche Messapparaturen zu betreiben.


Neutrinoloser Doppelbetazerfall: Es wandeln sich zwei Neutronen in zwei Protonen und zwei Elektronen um. Dabei entstehen auch zwei Neutrinos, die sich aber gegenseitig auslöschen, wenn sie ihre eigenen Antiteilchen sind (Foto: MPI für Physik).
Neben Photonen sind Neutrinos die häufigsten Teilchen im Universum und beeinflussten es daher nachhaltig. Ihre merkwürdigste Eigenschaft ist bisher nur eine Vermutung und harrt der Entdeckung: Neutrinos könnten ihre eigenen Antiteilchen sein. Diese Eigenschaft würde die Voraussetzung einer Fülle neuer theoretischer Konzepte bestätigen, die unser Verständnis vom Aufbau der Materie und von der Entwicklung des Universums beträchtlich erweitern würden. Das GERDA-Experiment soll dieser Vermutung auf den Grund gehen und Sucht daher nach dem sogenannten neutrinolosen Doppelbetazerfall. Diesen Prozess kann es nur geben, wenn Neutrinos und ihre Antiteilchen identisch sind und eine Masse haben. Misst GERDA einige der extrem seltenen Zerfälle, könnten die Physiker daraus auf die Masse der Neutrinos schließen. Damit könnte dann eine wesentliche Vorhersage, zum Materieüberschuss im Universum und dadurch der Grundlagen unserer Existenz, erklärt werden.


Das kilometerlange Tunnelsystem des Gran Sasso-Untergrundlabors. Das GERDA-Experiment befindet sich in der linken äußeren Experimentierhalle (Foto: LNGS).
Um den extrem seltenen Doppelbetazerfall zu messen, werden Germaniumdetektoren (Gruppe GeDet) in einem 4 m im Durchmesser großen Tank mit flüssigem Argon, umgeben von einem im Durchmesser 10 m großen Wassertank, betrieben. Die GERDA-Gruppe ist verantwortlich für die Entwicklung und den Bau der Infrastruktur, mit der die Detektoren in das Experimentalvolumen abgelassen werden.

Hintergrund

Das beobachtbare Universum besteht fast ausschließlich aus Materie. Dem Standardmodell der Teilchenphysik zu Folge sind im Urknall genau so viele Teilchen wie Antiteilchen entstanden. Das bedeutet, dass im frühen Universum, bei extrem hohen Temperaturen, Antiteilchen in Teilchen verwandelt worden sein müssen. Im Rahmen des Standardmodells ist es nicht gelungen, diesen Prozess zu beschreiben. Sollten Neutrinos die Eigenschaften sowohl von Materie als auch von Antimaterie tragen, gäbe dies den Theoretikern einen Mechanismus, der diese Umwandlung erklären könnte.


Modell des GERDA-Experiments (Foto: MPI für Kernphysik).
Beim extrem seltenen (beobachtbaren) Doppelbetazerfall zerfallen zwei Neutronen unter Emission von zwei Elektronen und zwei Antineutrinos in zwei Protonen. Dieser Prozess ist so selten, dass man im Schnitt ca. 10.000.000.000-mal das Alter des Universums warten muss, bis ein einzelner Kern zerfällt. Falls das Neutrino identisch mit seinem Antiteilchen ist, kann der Kern neutrinolos zerfallen. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist noch mindesten 100.000-mal geringer.


TV-Beitrag - Unterirdische Forschung (3Sat Nano, 20.10.2014)

3Sat Nano Sendung mit einem Bericht von Hildegart Werth über das tiefste Untergrundlabor Jinping in Sichuan, China. Tief unter dem Berg, abgeschirmt von kosmischer Strahlung wird mit Germaniumdetektoren nach Anzeichen für Dunkle Materie gesucht.


Link zur 3Sat Nano Sendung
http://www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=46941




GERDA - Expert Site
http://wwwgerda.mppmu.mpg.de/



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