03.02.031 Protonzerfall Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik.

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ProtonzerfallProtonzerfall

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. EinleitungGeschichte 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. prtoi = „das erste“)

• James Chadwick (Nobelpreis 1935), 1932: Entdeckung des Neutrons

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2. TheorieWarum überhaupt Protonzerfall?

Fünf Wechselwirkungen:– Elektrische WW– Magnetische WW– Schwache WW (radioaktiver Zerfall)– Starke WW (Anziehung der Nukleonen)– Gravitation

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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

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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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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

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Elektroschwache Vereinheitlichung:

SU(2)L U(1)

keine Übergänge Lepton - Quark, aber Übergänge in den einzelnen Lepton- und Quarkfamilien (Baryonen- und Leptonenzahlerhaltung)

Neutronzerfall:

u

d

d

u

d

uW–

e– e

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Weinbergwinkel:

4 Austauschbosonen der schwachen WW: W+, W-, W0 und B0

1 Austauschboson der elektromagnetischen WW:

W0 und B0 aber nicht beobachtbar:

Weinbergwinkel ist im Standardmodell ein freier Parameter, der nur gemessen werden kann. sin2W = 0,23124 0,00024

0

0

WW

WW

0 W

B

cossin

sincos

Z

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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 (sin2W = 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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Protonzerfall: z.B. p e+ + 0 (Verzweigunsverhältnis ca. 45%)

Lebensdauer des Protons: p 4,5 · 1030 a

mit MX = 5 · 1014 GeV (Masse des X-Bosons)

5

p

4

X2 m

M1

u

u

d

u

u

e+

X0

3

1

3

2

3

2

3

2

3

2

1

u

d

u

u

u

e+

Y0

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3. Zerfallsgesetz

Zerfall:

N = N0 p = t = t = t

Zerfallsbreite: = =

t: Meßzeit N0: anfängliche Anzahl dN: zerfallene Anzahl

: Detektoreffizienz

t

e 0N

Nln

0

0

N

N-Nln

d )

d

0N

N-ln(1

tN

dN

0 p

1

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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 · 1029 p)

– FréjusFréjus (Fréjus Tunnel, Grenze Frankreich - Italien): 500 t Fe

Wasser-Čerenkov-Detektor– IMB („Irvine Michigan Brookhaven“, Cleveland, Ohio): 3,3 kt H2O

– HPW (Park City, Utah): 560 t H2O (1,0 · 1031 p)

– SuperkamiokandeSuperkamiokande (Kamioka, Japan): 32,5 kt H2O

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4. Experimente Fréjus

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Gesamtmasse: 900 t

Detektor: Blitzkammer mit 70% Ne und 30% He (funktioniert wie ein Geiger-Zähler) und Geiger-Zählern

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Protonzerfall in 500 t Fe (3 mm dünne Platten)

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4. Experimente Superkamiokande

Innerer DetektorInnerer Detektor

Äußerer DetektorÄußerer Detektor

Gebaut für die Detektion von atmosphärischen -Oszillationen

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Blick in den Detektor

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Bilder der zerstörten Photomultiplier vom 17. November 2001

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Analyse:

p e+ + 0: p + + 0: Teilchen-Identifikation 2 oder 3 e–-ähnliche Ringe

und kein -ähnlicher 900 MeV/c2 < invariante

Masse < 1.000 MeV/c2

Gesamtimpuls < 300 MeV/c

Teilchen-Identifikation 1 oder 2 e–-ähnliche Ringe

und 1 -ähnlicher 900 MeV/c2 < invariante

Masse < 1.000 MeV/c2

Gesamtimpuls < 300 MeV/c

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

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Analyse der MC Simulationen für p e+ + 0 und atm. Neutrinos

p e+ + 0 Atmosphärische Neutrinos

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Analyse der Messungen für p e+ + 0 und p + + 0

p e+ + 0 p + + 0

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Messungen für p e+ + 0 und p + + 0:

Masse des Detektors: 32,5 kt ( 6,0 · 1032 Protonen)

Meßzeit: 784,9 Tage

Meßergebnisse:

p e+ + 0: 2,59 · 1033 a

p + + 0: 2,07 · 1033 a

(confidence limit jeweils 90%)

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4. Experimente Ergebnisse für p e+ + 0

Tracking-Kalorimeter-Detektor– Soudan: 1,3 · 1030 a

– KGF: 5,8 · 1030 a

– Nusex: 1,5 · 1031 a

– Fréjus: 7 · 1031 a

Wasser-Čerenkov-Detektor– IMB: 5,4 · 1032 a

– HPW: 1,3 · 1030 a

– Superkamiokande: 2,59 · 1033 a

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4. Experimente Übersicht über die Ergebnisentwicklung von p e+ + 0

1E+29

1E+30

1E+31

1E+32

1E+33

1E+34

Jahre

19

82

19

83

19

84

19

85

19

86

19

87

19

88

19

89

19

90

19

91

19

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19

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19

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19

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19

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19

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19

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FréjusFréjusIMBIMBKGFKGFNusexNusexSoudanSoudan(Super-)Kamiokande(Super-)Kamiokande

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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

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