Accurate Calibration of Raman Systems: At the Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment

نوترینوها را می‌توان به‌عنوان جذاب‌ترین ذرات بنیادی شناخته شده به‌عنوان جرم سکون کوچک اما غیر صفر آنها به مکانیسم‌های تولید جرم جدید فراتر از مدل استاندارد برچسب‌گذاری کرد، و همچنین به نوترینوهای اولیه از بیگ بنگ نقشی متمایز در شکل‌دهی به تکامل ساختارهای مقیاس بزرگ در کیهان سوال باز مقیاس جرم مطلق نوترینو توسط آزمایش نوترینو تریتیوم کارلسروهه (KATRIN) که در حال حاضر در دست ساخت است، مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
این پایان نامه سهم عمده ای را در توسعه و اجرای ابزارهای دقیق لیزری طیف سنجی جدید برای نظارت مستمر بر محتوای ایزوتوپ گزارش می کند. منبع تریتیوم گازی بدون پنجره KATRIN. روش انتخابی، طیف‌سنجی رامان، برای پایش درجا هر شش ایزوتوپولوژی هیدروژن مناسب است. در یک سری آزمایش‌های زیبا، نویسنده دو روش جدید کالیبراسیون مستقل را به دست آورد، اول بر اساس مقایسه نسبت‌های دپلاریزاسیون تجربی رامان با محاسبات کوانتومی-شیمیایی متناظر، و دوم بر اساس روش نمونه‌گیری گاز. هر دو روش نتایج کالیبراسیون متقاطع ثابتی را به همراه دارند و همچنین بهبودهایی در دقت، در کاهش اثرات سیستماتیک در اندازه‌گیری‌های بلندمدت جرم نوترینو از اهمیت زیادی برخوردار خواهند بود. روش‌های توسعه‌یافته در این پایان‌نامه همچنین پتانسیل زیادی برای گسترش بیشتر کاربردهای طیف‌سنجی رامان برای مطالعه منابع گسترده مانند فیزیک جو دارند.

Neutrinos can arguably be labeled as the most fascinating elementary particles known as their small but non-zero rest mass points to new mass generating mechanisms beyond the Standard Model, and also assigns primordial neutrinos from the Big Bang a distinct role in shaping the evolution of large-scale structures in the universe. The open question of the absolute neutrino mass scale will be addressed by the Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) experiment, currently under construction.
This thesis reports major contributions to developing and implementing new laser-spectroscopic precision tools to continuously monitor the isotope content of the windowless gaseous tritium source of KATRIN. The method of choice, Raman spectroscopy, is ideally suited for in-situ monitoring of all six hydrogen isotopologues. In a series of beautiful experiments the author obtained two independent novel calibration methods, first based on a comparison of experimental Raman depolarization ratios with corresponding quantum-chemical calculations, and second on a gas sampling technique. Both methods yield consistent cross-calibration results and, as well as yielding improvements in precision, will be of major importance in reducing systematic effects in long-term neutrino mass measurements. The methods developed in this thesis also have great potential to further broaden the applications of Raman spectroscopy to study extended sources such as in atmospheric physics.