Der KARMEN Upgrade

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Im Jahre 1996 wurde das KARMEN Experiment einem umfangreichen Umbau unterzogen, dem sogenannten KARMEN Upgrade. Die Motivation für diesen Upgrade war hauptsächlich die Suche nach Neutrino-Oszillationen, für die der Untergrund dramatisch reduziert werden sollte. Daß dieses Ziel voll erreicht wurde, wird im folgenden dargestellt.

Dem KARMEN-Upgrade vorausgegegangen sind aufwendige Simulationen des Untergrundes, seine genaue Identifizierung über eine Spezialmessung am Experiment und eine Optimierung der Maßnahmen ebenfalls mit Hilfe von Simulationen. Mit Hilfe dieser Simulationen läßt sich der Untergrund und die Wirkungsweise des Upgrades am besten graphisch darstellen und erläutern. Der Untergrund bei der Suche nach Oszillationen im `nm ® `ne Kanal wird durch kosmische Myonen verursacht, die im Eisen des KARMEN Bunkers in seltenen Fällen hochenergetische Neutronen produzieren. Die folgende Abbildung (enstanden aus einer Simulation mit dem GEANT-Simulationspaket vom CERN) zeigt die Situation für sogenannte tief-inelastische Myon-Nukleon-Streuung an den Kernen der Eisenatome. Bei diesen Reaktionen werden durch den Austausch von virtuellen Photonen Energien von zum Teil mehreren GeV übertragen, die den Eisenkern zum Zerplatzen bringen, d.h. es kommt zur Spallation. Bei dieser Spallation werden eine ganze Reihe von Elementarteilchen produziert, darunter Pionen, Kaonen aber auch Neutronen mit Energien bis zu einigen GeV. Die folgende Abbildung zeigt eine simulierte Spallationsreaktion und die Spuren der entstehenden Teilchen.


Diese μ ν Spallationsreaktion wurde durch ein positives Muon m+ mit einer Energie von 41.2 GeV verursacht. Die Spallation produziert geladene Teilchen, Neutronen und Gammaquanten g, von denen allerdings die Neutronen die größte Reichweite und damit die größte Chance haben, ungesehen durch die Antizähler in den Zentraldetektor einzudringen. Die folgende Abbildung illustriert dies. Hier ist ein vertikaler Schnitt durch den KARMEN-Detektor, die Antizählersysteme und die umgebende Eisenabschirmung gezeigt. Mehrere simulierte Spallationsreaktionen sind eingezeichnet, die von den vor 1996 vorhandenen Antizählersystemen nicht nachgewiesen werden konnten. Die produzierten Neutronen dringen in den Zentraldetektor ein und verursachen dort Ereignisse, die dem Nachweis von `ne-Neutrinos sehr ähnlich sind und daher einen Untergrund bei der Suche nach `nm ® `ne Oszillationen darstellen.


Reduzieren läßt sich dieser Untergrund nur durch den Nachweis der kosmischen Myonen, die die Neutronen produzieren. Dabei muß der Nachweis der Neutronen bereits soweit vom Detektor entfernt passieren, daß Neutronen, die durch unerkannte Myonen produziert wurden, keine Chance mehr haben in den Detektor einzudringen. Dies wird erreicht wenn sich etwa 1 Meter Stahl zwischen den Vetozählern, die die Myonen nachweisen, und dem Zentraldetektor befindet. Die einzige Lösung war daher das Einbringen eines großflächigen Vetozählersystems etwa in die Mitte der Wände und der Decke des Eisenbunkers. Diese Vetozähler sind in der oberen Abbildung bereits in rot mit eingezeichnet. Alle eingezeichneten Myonspuren kreuzen die neu eingebrachten Zähler und werden nachgewiesen. Somit lassen sich eventuelle Folgeereignisse im Zentraldetektor gezielt verwerfen. Detaillierte Simulationsrechnungen ergaben eine erwartete Reduktion des Untergrunds um etwa einen Faktor 40. Eine derartige Reduktion des Untergrundes bedeutet eine Steigerung der Sensitivität bei der Suche nach Neutrino-Oszillationen um etwa einen Faktor 10, gleiche Meßzeit vorausgesetzt.

Die Maßnahmen des Uprgades umfaßten eine teilweise Demontage des Eisenbunkers (ca. 4000 Tonnen Stahl wurden bewegt), die Produktion von 136 großflächigen Szintillationszählern, ihre Montage an den verbleibenden Bunkerwänden und danach das erneute Anbringen des Stahls, um die alte Stärke der Abschirmung wieder zu erreichen. Innerhalb der 2-3 m dicken Wände des 7000 Tonnen schweren Eisenbunkers, der das KARMEN Experiment umgibt, wurden insgesamt 300 Quadratmeter Feststoffszinitillator installiert, um eindringende Myonen zu erkennen. Die folgende Darstellung des teilweise aufgeschnittenen Eisenbunkers zeigt die neu eingebrachten Vetozähler in rot.

Das folgende Bild zeigt ein einzelnes Modul aus Feststoffszintillator. Es ist 4 m lang, 65 cm breit und 5 cm dick und besteht aus einer szintillierenden Substanz (Plexiglas mit bestimmten Zusätzen), die beim Durchgang geladener Teilchen (z.B. Myonen) Licht im sichtbaren Bereich emittiert. Zur Demonstration ist die Spur eines einzelnen Photons mit eingezeichnet, das durch den Mechanismus der Totalreflexion im Kunstoff verbleibt.

An beiden Enden des Moduls befindet sich eine 180 Grad Lichtumlenkung, die das Licht in jeweils 4 sogenannte Photomultiplier leitet. Diese in rot dargestellten Geräte sind extrem lichtempfindlich und dienen zum Nachweis einzelner Photonen. Die Lichtumlenkung wird durch die in blau eingezeichneten Aluminiumspiegel an den Enden der Module unterstützt. Durch die Lichtumlenkung können die Module dicht an dicht gepackt werden, so daß möglichst wenig geladene Teilchen durch die Lücken zwischen den Modulen fliegen, ohne nachgewiesen zu werden.

Der Erfolg des KARMEN-Upgrades läßt sich durch eine Vergleich der Untergrundrate vor und nach dem KARMEN-Upgrade bestimmen, wenn man die Anzahl der Untergrundereignisse auf die jeweils verwendete Meßzeit normiert. Dabei ist der Untergrund sowohl mit einer Single Prong Signatur (d.h. es wird nur ein einzelnes, isoliertes Ergeignis ohne Beachtung eines eventuell nachfolgenden Ereignisses gemessen) als auch besonders mit einer sequentiellen Struktur von Bedeutung. Letzteres ist besonders wichtig, weil bei der Suche nach `nm ® `ne Oszillationen ebenfalls nach einer sequentiellen Signatur gesucht wird. Die folgende Abbildung stellt die vor und nach dem Upgrade gemessenen Ereignisraten aufgetragen über der im Detektor sichtbaren Energie der Ereignisse für beide Fälle gegenüber.


Die schwarzen Linien entsprechen der Untegrundrate vor dem Upgrade, die gelb unterlegten nach dem Upgrade. Oberhalb von 20 MeV, d.h. in dem Energiebereich, der für die Suche nach Neutrino-Oszillationen besonders wichtig ist, wurde im Falle einer Single Prong Signatur eine Redukton um etwa einen Faktor 30, im Falle einer sequentiellen Signatur sogar etwa um einen Faktor 40 erreicht, wie er auch aus den Simulationsrechnung erwartet wurde. Dies verbessert die Untergrundsituation derart, daß von einer neuen Qualität beim Nachweis von Neutrinos mit KARMEN gesprochen werden kann. So können nun auch Neutrinoreaktionen mit einer Single Prong Signatur mit einem Signal zu Untergrundverhätnis von 50:1 nachgewiesen werden. Darüberhinaus konnte der durch kosmische Myonen induzierte Untergrund bei der Suche nach `nm ® `ne Oszillationen praktisch eliminiert werden.

Grau ist alle Theorie... deshalb gibt es ein KARMEN Photoalbum, wo auch einige Bilder von der Montage der VETO-Rahmen in England zu finden sind.

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