Precision measurement of the electron energy-loss function in tritium and deuterium gas for the KATRIN experiment
M. Aker, A. Beglarian, J. Behrens, A. Berlev, U. Besserer, B. Bieringer, F. Block, B. Bornschein, L. Bornschein, M. Böttcher, T. Brunst, T. S. Caldwell, R. M. D… 展开作者
M. Aker, A. Beglarian, J. Behrens, A. Berlev, U. Besserer, B. Bieringer, F. Block, B. Bornschein, L. Bornschein, M. Böttcher, T. Brunst, T. S. Caldwell, R. M. D. Carney, S. Chilingaryan, W. Choi, K. Debowski, M. Deffert, M. Descher, D. Díaz Barrero, P. J. Doe, O. Dragoun, G. Drexlin, F. Edzards, K. Eitel, E. Ellinger, A. El Miniawy, R. Engel, S. Enomoto, A. Felden, J. A. Formaggio, F. M. Fränkle, G. B. Franklin, F. Friedel, A. Fulst, K. Gauda, W. Gil, F. Glück, S. Groh, R. Grössle, R. Gumbsheimer, V. Hannen, N. Haußmann, F. Heizmann, K. Helbing, S. Hickford, R. Hiller, D. Hillesheimer, D. Hinz, T. Höhn, T. Houdy, A. Huber, A. Jansen, C. Karl, J. Kellerer, M. Kleesiek, M. Klein, C. Köhler, L. Köllenberger, A. Kopmann, M. Korzeczek, A. Kovalík, B. Krasch, H. Krause, N. Kunka, T. Lasserre, L. La Cascio, O. Lebeda, B. Lehnert, T. L. Le, A. Lokhov, M. Machatschek, E. Malcherek, M. Mark, A. Marsteller, E. L. Martin, M. Meier, C. Melzer, A. Menshikov, S. Mertens, J. Mostafa, K. Müller, S. Niemes, P. Oelpmann, D. S. Parno, A. W. P. Poon, J. M. L. Poyato, F. Priester, P. C. -O. Ranitzsch, R. G. H. Robertson, W. Rodejohann, C. Rodenbeck, M. Röllig, C. Röttele, M. Ryšavý, R. Sack, A. Saenz, P. Schäfer, A. Schaller, L. Schimpf, K. Schlösser, M. Schlösser, L. Schlüter, S. Schneidewind, M. Schrank, B. Schulz, C. Schwachtgen, M. Šefčík, H. Seitz-Moskaliuk, V. Sibille, D. Siegmann, M. Slezák, M. Steidl, M. Sturm, M. Sun, D. Tcherniakhovski, H. H. Telle, L. A. Thorne, T. Thümmler, N. Titov, I. Tkachev, N. Trost, K. Urban, K. Valerius, D. Vénos, A. P. Vizcaya Hernández, C. Weinheimer, S. Welte, J. Wendel, J. F. Wilkerson, J. Wolf, S. Wüstling, W. Xu, Y. -R. Yen, S. Zadoroghny, G. Zeller
The KATRIN experiment is designed for a direct and model-independent determination of the effective electron anti-neutrino mass via a high-precision measurement of the tritium $β$-decay endpoint region with a sensitivity on $m_ν$ of 0.2$\,$eV/c$^2$ (90% CL). For this purpose, the $β$-electrons from a high-luminosity windowless gaseous tritium source traversing an electrostatic retarding spectrometer are counted to obtain an integral spectrum around the endpoint energy of 18.6$\,$keV. A dominant systematic effect of the response of the experimental setup is the energy loss of $β$-electrons from elastic and inelastic scattering off tritium molecules within the source. We determined the \linebreak energy-loss function in-situ with a pulsed angular-selective and monoenergetic photoelectron source at various tritium-source densities. The data was recorded in integral and differential modes; the latter was achieved by using a novel time-of-flight technique.
We developed a semi-empirical parametrization for the energy-loss function for the scattering of 18.6-keV electrons from hydrogen isotopologs. This model was fit to measurement data with a 95% T$_2$ gas mixture at 30$\,$K, as used in the first KATRIN neutrino mass analyses, as well as a D$_2$ gas mixture of 96% purity used in KATRIN commissioning runs. The achieved precision on the energy-loss function has abated the corresponding uncertainty of $σ(m_ν^2)<10^{-2}\,\mathrm{eV}^2$ [arXiv:2101.05253] in the KATRIN neutrino-mass measurement to a subdominant level.
A precision 32 keV angular-selective photoelectron source for calibration measurements at the KATRIN experiment
University of Münster（明斯特大学）；Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）；University of Washington（华盛顿大学）；Max-Planck-Institut für Kernphysik（马克斯·普朗克核物理研究所）；Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)-Sezione di Milano-Bicocca（意大利国家核物理学会米兰比可卡分部）
First operation of the KATRIN experiment with tritium
中微子质量的确定是当今天体粒子物理学的主要挑战之一。直接的中微子质量实验，完全基于β衰变的运动学，提供了一个很大程度上独立于模型的中微子质量尺度的探测器。卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验旨在直接测量有效电子反中微子质量，灵敏度为0.2 eV 90% CL。在这项工作中，我们报告了2018年发生的第一次使用氚的KATRIN操作。在氚循环系统的调试阶段，发现理论预测与记录的光谱非常吻合，并且可以建立超过13天的稳定条件。这些结果是2019年KATRIN后续中微子质量测量的必要前提。
Deconvolution of the energy loss function of the KATRIN experiment
KATRIN实验的目标是以0.2 eV/c^2的灵敏度（在90% C. L.）直接和独立于模型地测定中微子质量。通过测量氚β衰变谱的终点区域。该实验的主要组成部分是一个无窗口的气态氚源（WGTS），差分和低温泵浦部分和一个串联的前和主光谱仪，应用磁绝热准直与静电延迟电位的概念来分析β衰变电子的能量，并引导电子通过过滤器到一个分段的硅PIN探测器。这种实验的一个重要的系统不确定性是由于β衰变电子的能量损失的弹性和非弹性散射的氚分子内的源体积，改变测量光谱的形状。为了校正这些影响，需要对相应的能量损失函数进行独立测量。在这项工作中，我们描述了一种反卷积方法提取的能量损失函数的实验在不同的列密度的WGTS使用单能电子源的响应函数的测量。
Stochastic Heating by ECR as a Novel Means of Background Reduction in the KATRIN Spectrometers
KATRIN实验的主要目标是探测绝对中微子质量标度，灵敏度为200 meV（90% C. L.）。通过精确的氚β衰变光谱学为了达到这个目的，在氚β衰变终点区域需要10 ^（-2）cps量级的低本底。用静电减速谱仪进行的测量表明，在谱仪的体积中由核衰变产生的电子被长时间储存，从而作为超过该极限的本底的主要来源。在本文中，我们提出了一种新的主动本底降低方法的基础上随机加热的存储电子的众所周知的过程中的电子回旋共振（ECR）。在KATRIN预光谱仪的测试测量中，ECR技术的原理证明是成功的，从而大大降低了背景速率。此外，我们已经进行了广泛的蒙特卡罗模拟，以揭示潜在的ECR技术，以消除所有被困的电子在主光谱仪的测量时间可以忽略不计的损失。这将使KATRIN实验充分发挥其物理潜力。
Neutron Resonance Transmission Analysis with a Compact Deuterium-Tritium Neutron Generator
中子共振透射分析（NRTA）是一种光谱技术，它利用超热中子的共振吸收来推断物体的同位素组成。这种光谱技术在许多传统的科学和核安全领域都具有相关性。NRTA过去使用大型昂贵的加速器设施来实现精确的中子束，这大大限制了其适用性。在这项工作中，我们描述了一系列的NRTA实验中，我们使用一个紧凑的，低成本的氘氚（DT）中子发生器产生短中子束（2.6米）随着$^6$锂玻璃中子探测器。五种元素--银、镉、钨、铟和$^{238}$ U --的飞行时间光谱数据清楚地显示了1-30 eV范围内的相应吸收线。实验结果表明，NRTA在这种简化的配置的适用性，并证明了这种紧凑和低成本的方法的可行性。这将大大拓宽NRTA的适用范围，使其在材料科学、核工程和军备控制等许多领域都具有实用性和适用性。
A pulsed, mono-energetic and angular-selective UV photo-electron source for the commissioning of the KATRIN experiment
KATRIN实验的目标是以200 meV/c^2（90% C. L.）的灵敏度确定中微子质量尺度。通过精确测量氚$β$ -光谱在端点区域的形状。衰变电子的能量分析是通过MAC-E滤波谱仪实现的。为了确定KATRIN主谱仪的透射特性，研制了一种单能角选择电子源。在准备主光谱仪的第二次调试阶段时，在KATRIN监测光谱仪上进行了测量阶段，其中设备在MAC-E过滤器设置中运行以进行测试。这些测量的结果进行了比较，使用粒子跟踪软件“Kassiopeia”，这是在KATRIN合作开发的模拟在最近几年。
