Inelastic electron scattering in tritium gas and ppm-precise energy scale at the KATRIN experiment

Das Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) Experiment bestimmt die Neutrinomasse durch Messung der Endpunktregion des Tritiumbetazerfallsspektrums. Gegenwärtig wird bei KATRIN Statistik gesammelt und gleichzeitig wird versucht, Systematiken zu verringern, um eine Sensitivität von 0,2 eV/c² (90% C.L.) e...

Author: Rodenbeck, Caroline
Further contributors: Weinheimer, Christian (Thesis advisor)
Division/Institute:FB 11: Physik
Document types:Doctoral thesis
Media types:Text
Publication date:2023
Date of publication on miami:01.02.2024
Modification date:01.02.2024
Edition statement:[Electronic ed.]
Subjects:Neutrinomasse; Elektronenspektroskopie; Kalibrierung; Elektronenstreuung; Tritium; Krypton-83m neutrino mass; electron spectroscopy; calibration; electron scattering; tritium; krypton-83m
DDC Subject:530: Physik
License:CC BY 4.0
Language:English
Thesis statement:Münster (Westfalen), Univ., Diss., 2023
Format:PDF document
URN:urn:nbn:de:hbz:6-27978340837
Other Identifiers:DOI: 10.17879/27978344815
Permalink:https://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hbz:6-27978340837
Digital documents:diss_rodenbeck.pdf

Das Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) Experiment bestimmt die Neutrinomasse durch Messung der Endpunktregion des Tritiumbetazerfallsspektrums. Gegenwärtig wird bei KATRIN Statistik gesammelt und gleichzeitig wird versucht, Systematiken zu verringern, um eine Sensitivität von 0,2 eV/c² (90% C.L.) erreichen zu können. Einer der systematischen Effekte ist die inelastische Streuung von Betazerfallselektronen an Tritiummolekülen. Dieser Effekt wird in der vorliegenden Dissertation durch In-situ-Messungen mit einer Elektronenkanone charakterisiert. Ein weiterer Effekt sind Instabilitäten im Retardierungspotential des Spektrometers, welche zu einer Verbreiterung der Transmissionsfunktion führen. Das Potential wird im Rahmen der Dissertation mit einer Regelschleife stabilisiert und die gesamte Messkette wird kalibriert. Des Weiteren wird eine neuartige Methode zur Bestimmung der Übergangsenergien von Krypton-83m entworfen. Außerhalb von KATRIN gemessene Werte für diese Energien dienten bereits als Referenz bei der Kalibrierung der Energieskala, doch KATRINs volles Potential lässt sich mit ihnen wegen ihrer vergleichsweise geringeren Genauigkeit nicht ausschöpfen. Bei erfolgreicher Ausführung der vorgeschlagenen Messung wäre eine Präzisionsverbesserung um eine Größenordnung erreicht.

The Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) experiment determines the neutrino mass by measuring the endpoint region of the tritium beta-decay spectrum. Currently, statistics are being accumulated at KATRIN, and efforts are being made to reduce systematic effects in order to reach a sensitivity of 0.2 eV/c² (90% C.L.). One of the systematic effects is the inelastic scattering of beta-decay electrons on tritium molecules, which is characterized in the present thesis by way of in-situ measurements with an electron gun. Another effect arises from instabilities of the spectrometer's retarding potential, which lead to a broadening of the transmission function. The potential is in the context of the present thesis stabilized with a regulation loop and the full measurement chain is calibrated. Furthermore, a novel way of determining the transition energies of krypton-83m is devised. Values for these energies, measured outside of KATRIN, served already as references for calibrating the energy scale, but KATRIN's full potential cannot be unleashed with them because of their relatively lower precision. Successful execution of the proposed measurement would yield an order-of-magnitude improvement in precision.