03.02.03

Protonzerfall

Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik

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1. Einleitung 2. Theorie 3. Zerfallsgesetz 4. Experimente  Aufbau  Analyse  Resultate

Übersicht

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1. Einleitung

Geschichte des Protons • • • •

Demokrit

: Atome (gr.

atomos

) sind unteilbar.

Sir Joseph John Thomson

(Nobelpreis 1906), 1905: Entdeckung des Elektrons

Ernest Rutherford

(Nobelpreis für Chemie 1908), 1911: Entdeckung des Atomkerns und Namen gebung für das Proton (gr.

pr



toi

= „das erste“)

James Chadwick

(Nobelpreis 1935), 1932: Entdeckung des Neutrons 03.02.03

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

Fünf Wechselwirkungen:

– Elektrische WW – Magnetische WW – Schwache WW (radioaktiver Zerfall) – Starke WW (Anziehung der Nukleonen) – Gravitation 03.02.03

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

Gelungene Vereinheitlichungen:

–

James Clark Maxwell

, 1873: Vereinheitlichung von elektrischer und magnetischer WW zur elektro magnetischen WW  nur noch vier (fundamentale) WW –

Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg

1971 (Nobelpreis 1979): Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher WW zur elektro schwachen WW  nur noch drei WW: elektroschwach, stark und gravitativ 03.02.03

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

Gescheiterte Vereinheitlichungen:

–

Albert Einstein

(Nobelpreis 1921): Versuch, Gravitation und Elektrodynamik zu vereinheitlichen –

Werner Karl Heisenberg

(Nobelpreis 1932): Aufstellung einer Feldgleichung für eine vereinheitlichte Theorie der Elementarteilchen (sog. Nichtlineare Spinortheorie) –

Karl Friedrich von Weizsäcker

: vereinheitlichte Theorie für sog. Urteilchen – und viele mehr ...

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

Erhoffte Vereinheitlichungen:

–

Formulierung einer Großen Vereinheitlichten Theorie (Grand Unified Theory, GUT):

Vereinheitlichung von elektroschwacher und starker WW  nur noch zwei WW –

Formulierung einer Theorie für Alles (Theory of Everything, TOE):

Vereinheitlichung der elektroschwachen, starken und gravitativen WW  nur noch eine einzige WW 03.02.03

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

Elektroschwache Vereinheitlichung: SU(2) L  U(1)  keine Übergänge Lepton - Quark, aber Übergänge in den einzelnen Lepton- und Quarkfamilien (Baryonen- und Leptonenzahlerhaltung) Neutronzerfall: e –  e W – d d u u d u 03.02.03

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

Weinbergwinkel: 4 Austauschbosonen der schwachen WW: W + , W , W 0 1 Austauschboson der elektromagnetischen WW:  und B 0 W 0  und B 0 aber nicht beobachtbar:    Z 0      cos  W  sin  W sin  W cos  W     B 0 W 0   Weinbergwinkel ist im Standardmodell ein freier Parameter, der nur gemessen werden kann. sin 2  W = 0,23124  0,00024 03.02.03

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

GUT: neue große Symmetriegruppe G  SU(3) C  SU(2) L  U(1)  , die einfachste ist eine SU(5) Vorhersagen einer GUT: - Weinbergwinkel wird vorhergesagt (sin 2  W = 3/8) - Quantisierung der Ladung - magnetische Monopole - kleine Neutrinomassen neue „leptoquark“ Bosonen X (Q = +4/3) und Y (Q = +1/3) führen zu Übergängen zwischen Leptonen und Quarks Folge:

Protonzerfall

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2. Theorie

Warum überhaupt Protonzerfall?

Protonzerfall:

z.B. p  e + Lebensdauer des Protons: +  0 (Verzweigunsverhältnis ca. 45%)  p  1  2  M X 4 m p 5  4,5 · 10 30 a mit M X = 5 · 10 14 GeV (Masse des X-Bosons)  1 3 d 2 3 u 2 3 u X e + u u  0 1  2 3 2 3 u d u Y e + u u  0 03.02.03

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3. Zerfallsgesetz

Zerfall:

N = N 0  e   t   p = t  ln N N 0  ln N N 0 d N = t = t  ln(1 d N ) N 0 Zerfallsbreite:  = N 0 dN  t   = 1  p t: Meßzeit N 0 : anfängliche Anzahl dN: zerfallene Anzahl  : Detektoreffizienz 03.02.03

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4. Experimente

Übersicht

Tracking-Kalorimeter-Detektor

– Soudan (Soudan Mine, Minnesota) – KGF („Kolar Gold Field“, Indien): 60 t Fe – Nusex (Mont Blanc Tunnel): 100 t Fe (5,0 · 10 29 p) – Fréjus (Fréjus Tunnel, Grenze Frankreich - Italien): 500 t Fe

Wasser Čerenkov-Detektor

– IMB („Irvine Michigan Brookhaven“, Cleveland, Ohio): 3,3 kt H 2 O – HPW (Park City, Utah): 560 t H 2 O (1,0 · 10 31 p) – Superkamiokande (Kamioka, Japan): 32,5 kt H 2 O 03.02.03

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4. Experimente

Fréjus 14

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4. Experimente

Fréjus Gesamtmasse: 900 t Detektor: Blitzkammer mit 70% Ne und 30% He (funktioniert wie ein Geiger Zähler) und Geiger-Zählern 15

4. Experimente

Fréjus 03.02.03

Protonzerfall in 500 t Fe (3 mm dünne Platten) 16

4. Experimente

Superkamiokande

Innerer Detektor Äußerer Detektor

Gebaut für die Detektion von atmosphärischen  -Oszillationen 03.02.03

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4. Experimente

Superkamiokande 03.02.03

Blick in den Detektor 18

4. Experimente

Superkamiokande Bilder der zerstörten Photomultiplier vom 17. November 2001 03.02.03

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4. Experimente

Superkamiokande

Analyse:

p  e + +  0 : Teilchen-Identifikation 2 oder 3 e – -ähnliche Ringe und kein  -ähnlicher 900 MeV/c 2 < invariante Masse < 1.000 MeV/c 2 Gesamtimpuls < 300 MeV/c p   + +  0 : Teilchen-Identifikation 1 oder 2 e – -ähnliche Ringe und 1  -ähnlicher 900 MeV/c 2 < invariante Masse < 1.000 MeV/c 2 Gesamtimpuls < 300 MeV/c 03.02.03

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4. Experimente

Superkamiokande Monte Carlo Simulation mit sehr langer Beobachtungszeit zum Test der Analysemethoden.

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4. Experimente

Superkamiokande Atmosphärische Neutrinos p  e + +  0 Analyse der MC Simulationen für p  e + +  0 und atm. Neutrinos 03.02.03

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4. Experimente

Superkamiokande p   + +  0 p  e + +  0 03.02.03

Analyse der Messungen für p  e + +  0 und p   + +  0 23

4. Experimente

Superkamiokande

Messungen für p



e + +



0 und p

 

+ +



0 :

Masse des Detektors: 32,5 kt (  6,0 · 10 32 Meßzeit: 784,9 Tage Protonen)

Meßergebnisse:

p  e + p   + +  0 : 2,59 · 10 33 +  0 : 2,07 · 10 33 a a (confidence limit jeweils 90%) 03.02.03

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4. Experimente

Ergebnisse für p  e + +  0

Tracking-Kalorimeter-Detektor

– Soudan: 1,3 · 10 30 a – KGF: 5,8 · 10 30 a – Nusex: 1,5 · 10 31 a – Fréjus: 7 · 10 31 a

Wasser Čerenkov-Detektor

– IMB: 5,4 · 10 32 a – HPW: 1,3 · 10 30 a – Superkamiokande: 2,59 · 10 33 a 03.02.03

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4. Experimente

Übersicht über die Ergebnisentwicklung von p  e + +  0

1E+34 1E+33 J a h r e 1E+32 1E+31 1E+30 Fréjus IMB KGF Nusex Soudan (Super-)Kamiokande 1E+29

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Übersicht über alle Zerfallskanäle

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Literatur

• • • • • • • • Josef Honerkamp: Von fundamentalen Wechselwirkungen und vereinheit lichten Theorien, Vortrag anlässlich des Empfangs der Emeriti der Albert Ludwigs-Universität Freiburg am 05. Mai 1993 http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/, Superkamiokande, Universität Tokio Annual Review of Nuclear and Particle Science 1984, 34: Proton Decay Experiments Brett Michael Viren: A Search for the Decay of Protons to e +  0 and  +  0 , Dissertation, State University of New York at Stony Brook, 2000 Christoph Berger: Elementarteilchenphysik, Springer 2000 Physical Review D Part I, 2002 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A262, 1987: The Fréjus Nucleon Decay Detector Donald Perkins: Hochenergiephysik, Addison-Wesley 1991 03.02.03

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