Transcript Abbildungen 18.1.-13.2.2012

Eigenschaften von Spiegelteilchen
 Für jedes Teilchen existiert ein Spiegelteilchen welches
exakt die gleichen Eigenschaften in der Spiegelwelt hat
wie ein gewöhnliches Teilchen, außer seiner Händigkeit
 Spiegelteilen soll nur gravitativ mit gewöhnlichen Teilchen
wechselwirken bzw. eine entsprechend schwache Kopplungsform ( z.B. Austausch von mirror bosonen ) mit Materie besitzen.
 Das Wu et al. Experiment in unserer und der Spiegelwelt
e-
(e-)‘
Paritätsverletzung kann in einer globalen Symmetrie von
Teilchen und Spiegelteilchen wieder aufgehoben werden.
n‘(t) / n(0)
(entspricht E=0 bzw. B = 0)
( E/m = 2)
E= (nB0)/2
Durchführung
Spektrometer: RESEDA am FRM II
• Abschrimung des Erdmagnetfeldes durch doppelwandiges
 -Metallrohr (Spektrometerarme je 2.6 m)
• Spule innerhalb des  -Metallrohrs, die Anschalten eines
externen Magnetfeldes ermöglicht
Skizze des experimentellen Aufbaus von Serebrov et al.,
Elektronspektrum resultierend aus Phasenraumargumenten
mit Coulomb-Korrekturen
Schwache WW als Austauschwechselwirkung am
Beispiel des Muonzerfalls
• Austauschteilchen (-boson)
kann wegen Reichweite der
Wechselwirkung und Nieder-
energieverhalten nicht
masselos sein
( intermediäre VektorBosonen W, Z)
• Fermi-Theorie ist die Niederenergie - Näherung
1
g2
Q 2 0
M fi  g  2 2
 g  2 4
2 4
Q c  MW c
MW c
Super-erlaubte 0+0+ Übergänge
Experiment: Robson 1951
p
e
Koinzidenzsignal
n
Lebensdauerexperiment von Mampe et al.
Lebensdauerexperiment von Serebrov et al.
magnetic storage
New approach…
( PNPI, ILL, TUM )
bottle made of superconducting magnets
measure storage and decay
expected ( FRM II ):
108 UCN @ V= 700 L
goal:
rel.statistical uncertainty
 n /  n  104

F  B

Neutron Lifetime versus Year
Data points used by PDG
2004 for averaging
Serebrov et al.,
Phys. Lett. B 605, 72 (2005)
(878.5 ± 0.7 ± 0.3) seconds
BWF 2005
Zeitliche Entwicklung des Universums
Robertson-Walker Metrik &
Skalenparameter R
→ Friedmann-Lemaître Gleichungen →
Einsteinsche Feldgleichungen
(Ausdehnung des Universums)
Zusammenhang
R(t) - T(t) – t
R(t)/R0 = (t/tr)½
Für t<tr ≈ 2e6 a
T(t)/T0 = R0/R(t)
T0, R0 heutige Werte
Aber: Spezielle Modelle
abhänging von heutigen
Werten H0, ΩM, ΩΛ
H0=72±3 km/(sMpc)
ΩM =0,26±0,02
ΩΛ =0,74±0,03
(PDG2010)
Aus A. Unsöld, B. Baschek, Der Neue Kosmos
Empfindlichkeit auf Neutron-Lebensdauer
Obserables in neutron ß-decay
Jackson et al., PR 106, 517 (1957):
Neutron lifetime n
1

    Ee   GF2Vud 2 1  3 
2

Fierz-interference term (SM:=0)

p p
m
dW    Ee   1  a e   b e
Ee E
Ee

D,R,…
 p
p
p p
p  e
+  A e  B   D e   ...  R e
E
Ee E
Ee
 Ee
a
1 
1 3 
  Re 
A  2
2
,e--correlation
1 3 
ß-asymmetry
Standard Model (SM)
2
  Re( )
2
2
2
B2
1 3 
2
triple correlation
 coefficients (SM:=0)

  n 


Illustrationen einiger Korrelationen
Beta-Neutrino Winkelkorrelationskoeffizient für unterschiedliche Zerfälle
F=0 -> reiner GT-Zerfall
F=1 -> reiner F-Zerfall
=> V und A Wechselwirkung; Wu-Experiment (Beta-Asymmetrie) => V-A Wechselwirkung
Symmetrieeigenschaften der Observablen und ihrer Kombinationen
(Aus Perkins, Intorduction to High Energy Physics)
Status der Bestimmung von Lambda im Zerfall des freien Neutron
-> a muss besser gemessen werden!
Perkeo II ( Abele et al.)
(Wu-experiment)
W ( )  1 
vß
c
e-
 A  cos  
Det 1
Perkeo (2002):   1.274(2)
Perkeo (2006):   1.275(1)
Det 2
Überblick aSPECT
Schematischer Aufbau am ILL
Proton Detector
-15kV
U
(0V to +850V)
Neutron
Beam
+1kV
Analyzing
Plane
BA ≈ 0.4T
B0≈ 2.2T
Decay
Volume
Electrostatic
Mirror
Der MAC-E Filter
Im B-Feld:
Lorentz Kraft F = q × ( v x B)
→ Führt zu einer Kreisbewegung
Der von der Teilchenbahn eingeschlossene magnetische Fluß F ist eine
Konstante der Bewegung
(sofern sich das Teilchen adiabatisch bewegt)
Auch im inhomogenen B-Feld
Adiabatische Bewegung im B-Feld:
Quelle: J.D. Jackson, Klassische Elektrodynamik
•Die Änderung des Feldes ist „klein“ während einer Zyklotronumdrehung
•Das Bahnzentrum verbleibt auf der Feldlinie
Siehe auch J.D. Jackson, Klassische Elektrodynamik
Gyration of ions and electrons
Helicoidal ion orbit in a uniform magnetic field
rg

B
If one includes a constant speed parallel to the field, the particle
motion is three-dimensional and looks like a helix.
v

velocity component parallel to magnetic field lines
Der MAC-E Filter
q
Magnetisches Moment einer Stromschleife
 g
 I  A   q
 2
A

m v2
2
   rg 
2B

Adiabatische Approximation: = konstant


  

Stern-Gerlach Kraft F     B transformiert Zyklotronbewegung in Longitudinalbewegung.
F ist so gerichtet, dass Protonen parallel zu den Magnetfeldlinien ins Feldminimum
beschleunigt werden. Aufgrund der Energieerhaltung im statischen Magnetfeld kann der
Energiegewinn in longitudinaler Richtung nur auf Kosten der Transversalenergie erfolgen.
aus
Mit einem zusätzlichen Potenzial lässt sich
die Longitudinalenergie (TII) spektroskopieren.
Der MAC-E Filter
Adiabatische Invarianz:
Zyklotronbewegung:
F = BA = Brcycl2 = const.
Ansteigendes B-Feld 
rcycl wird kleiner
Abfallendes B-Feld 
rcycl wird größer
Mit rcycl = mv / (qB) = p / (qB) folgt
F = Brcycl2 = p 2 / (q 2 B) = konst.
p2 / B = konst.
Ekin / B = konst.
bedeutet
Bewegung von hohem in niederes B-Feld erniedrigt die
Transversalenergie
+ Energieerhaltung

Energie wird von der Transversal in
die Longitudinalkomponente konvertiert
Beispiele für MAC-E Filter
aSPECT
WITCH
KATRIN
Serbrov 1998: Neutrino-Asymmetrie
B = 0.9801(46)
MWR > 283.3 GeV/c2 (90%)
Perkeo II: Neutrino-Asymmetrie
B = 0.9802(50)
mWR > 290,7 GeV/c2 (90%)
Statistical limits due to low decay rate:  500-1000 decay protons /s
PERC:
A clean, bright and versatile source of neutron decay products
Beam stop
Polarizer Chopper
Spin flipper
v- selector
Decay Volume, 8m
n-guide + solenoid: field B0
polarized, monochromatic
n-pulse
n + γ-beam stop
solenoid, field B1
e,p selector
Analyzing area
solenoid, field B2
p+ + e−
window-frame
p+ + e−
beam
Neutron flux (ILL, FRMII):  1010 /(cm2s), area:  60 cm2
PERC: collect all neutron decay products (e-,p) by using a homogeneous magnetic
field (2 Tesla) along a neutron guide of about s =5 m.
s / vn
Expected number:  1 MHz /m ---------------->
 p ,e  (1010  60) 
n
Hartmut Abele, Technische
35
Universität
München
D. Dubbers,
H. Abele, S. Baeßler, B. Maerkisch, M. Schumann, T. Soldner, O. Zimmer, arXiv:0709.4440.