Schleching 2/2008 3.1 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM...

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Schleching 2/200 8 3.1 Präzisionsphysik mit Neutron en/3. n- Experimente jenseit s des SM Präzisions-Physik mit Neutronen 1.Neutronenquellen 2.Physik mit Neutronen, allgemein 3.Neutronen-Experimente: jenseits SM 4.Theorie Standard Modell 5.Neutronen-Experimente: diesseits SM 6.Theorie n-Zerfall D. Dubbers U. Heidelberg

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Schleching 2/2008 3.1Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Präzisions-Physik mit Neutronen1.Neutronenquellen2.Physik mit Neutronen, allgemein3.Neutronen-Experimente: jenseits SM4.Theorie Standard Modell5.Neutronen-Experimente: diesseits SM6.Theorie n-Zerfall

D. DubbersU. Heidelberg

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Schleching 2/2008 3.2Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

1. Neutronenquellen1.1 Reaktor Neutronenquellen1.2 Spallations-Neutronenquellen1.3 Ultrakalte Neutronen

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Schleching 2/2008 3.3Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

2. Physik mit Neutronen allgemein 2.1 Neutronen-Streuung2.3 Angewandte Neutronenphysik

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Schleching 2/2008 3.4Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Besonderheiten des Neutrons

Neutronen:• sehen besonders gut die leichten Atome (z.B. Wasserstoff-Brücken)• sehen einzelne Isotope (Kontrastvariation)• sehen Magnetismus (Spintronik)• sehen Bewegungen der Moleküle, Spins, (auch sehr langsame)

separat für alle Längenskalen (En ~ Anregungsenergien des Festkörpers, λn ~ Gitterkonstante des Festkörpers)

• sehen getrennt kohärente und inkohärente Prozesse • (Paar- und Autokorrelations-Funktionen)• machen wenig Vielfachstreuung• sind meist sehr durchdringend

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Schleching 2/2008 3.5Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

3.Neutronen-Experimente jenseits des SM3.1 Einführung3.2 Einige Experimente

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Schleching 2/2008 3.6Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

3.1 Einführung Temperature kT = 10+19 GeV Planck scale

10+16 GeV Grand Unification Inflation ... ... wenn H = å/a ≈ const. Chiral phase transition Nucleon freeze out Electroweak transition Nuclear freeze out Atomic freeze out

Galactic freeze out 10-11 GeV (T = 2.726 K) Big Bang 10-43 s 10-35 s 10-12 s 1 s 105 y 109 y today Time

t

History of the universe: a succession of phase transitions

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Schleching 2/2008 3.7Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

The Standard Model of particle physics …small input: SYMMETRIES Gauge principle: ψ'(x) = eiθ(x) ψ(x)

('principia') applied to U(1)×SU(2)×SU(3),(+ Lorentz x' = L·x, + CPT etc. invariances, …)

rich output: INTERACTIONS basis for:

→ equations of motion Maxwell, technology,Schrödinger, chemistry,Dirac, molec. biology, … solar/nuclear power,

→ existence of photons, gluons, W±, Z0 (= carriers of interaction)

→ conservation of charges (= sources of interaction)

→ generation of masses

…is very successful ...

ψ:

ψ':

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Schleching 2/2008 3.8Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

… but is only part of the picture:Unsolved problems:

3 particle families 12 masses →4 quark-phases + 4 lepton-phases

gravitation and quantum mechanicsbaryon-asymmetry of universe →

mass-energy content of universe …

Test all laws of physics with the highest possible precision(including energy conservation, Lorentz-, CPT-invariance, …).

To be tested, laws must be well known: this is the case mostly in the electroweak and the gravitational sector.

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Schleching 2/2008 3.9Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Particle physics at the lowest energies

0.1 0.5 1 5 10 50 100EnergyTeV

0.2

0.512

510

langiSa.u

.

ENERGY DEPENCE OF PROPATATOR

0.1 0.150.2 0.3 0.5 0.7 1EnergyTeV

0.10.2

0.512

510

langiSa.

u.

ENERGY DEPENCE OF PROPATATOR

.at very highest isPrecision precision.high is countsWhat then

TeV. 10neV 1at or TeV 0.5or 10at worksonewhether small, very i.e. ,1/ :same thebe willpropagator then the

TeV, 100 ~ scalehigh very aat exists processunknown an When

Higgs) quark, top:(examples below energiesat already virtually visibleis process then the

r,accelerato theofenergy maximum theabovejust TeV, 1 ~ scale aat exists processunknown an When

:powers)higher (or 1 ~ Propagator typical

21

2x

x

x

22

energy low

B.

A.

energy? lowat search Why

x

x

MM

M

MpM

Mx

Mx p

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Schleching 2/2008 3.10Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Precision reached in low-energy work- in energy: δE < 10─23 eV = ± 0.000 000 000 000 000 000 000 01 eV

reached in high-precision ultracold neutron and atom work

- in momentum: δp/p < 10─11: 1Å/10m preached in state-of-the-art neutron optics δp

- in mass: δm/m = ±10─11

reached in atomic mass spectrometry

- in time: δt/t = ±10─16

reached with atomic clocks

- in spin-polariz.: δP < 10─7

reached in polarized neutron work

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Schleching 2/2008 3.11Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Low energy: mostly 1st family

quarks leptons3rd: b t τ ντ

2nd: s c μ νμ

1st : d u e νe

first family is:- abundant, - long-lived, - useful.

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Schleching 2/2008 3.12Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

↕ y← L →E=60 kV/cm

υ

earth.) of charge from derived bemay bounds rigorous, lessbut stringent, (More

1.0·10

C 10 ~ 0004(11) 000 000 000 000 000 0.000 1988) Gähler, (R. 10)1.14.0( Charge

N 10 Force

m/s 200 m, 10over Å 82

field electricin beam-n of deflection From

21H

40n

21n

33n

2

2

eq

eqeq

Eq

υLmυELq

y

E

n

:atom hydrogen the of charge The

:neutron the of charge The

3.2 Einige Experimente: 1. Why is charge quantized?

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Schleching 2/2008 3.13Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Theory of charge quantization

1940 1960 1980 200010-30

10-20

10-10

100

q n/e

year

upper limit on neutron charge

εqLBqLB

LBLBεq

q

q

qqq

:1) ( neutron 0 :)0( atom-H

:number lepton ,number baryon with )(

permits :example possible, extensionsMany

0

anything :family -3

:, for sPredictionquantized. is charge electricy certain whfor known not isIt

n

H

Hn

neutrino Dirac massive

:Theories Unified Grand

Model Standard

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Schleching 2/2008 3.14Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Big Bang theory: baryon density ~ 10−18 photon densitybaryon density = antibaryon density

Observation: baryon density ~ 10−9 photon densitybaryon density >> antibaryon density

possible explanation: Violation of 'CP-symmetry'

Experimentum crucis:Electric Dipole Moment dn of the neutron:

if 'CP' explanation is right: dn = 10−27 1 e cm= value required to explain our existence

if 'CP' explanation is wrong: dn = 10−32 1 e cm= value predicted by the Standard Model

Meas.time t from uncertainty rel. N Δφ ~ 1 with Δφ = ωBohr t = dn·E/ħ t,

i.e. error ΔN Δφ = N ½ ΔωBohr t = (ρUCNV)½ ΔdnE t ~ 1

~ 1 Bohr-period/year ~ 10−23 eV

2. Why has so much matter survived the Big Bang?

60 years of instrument

development

M.v.d. Grinten, K. Jungmann, Sa vorm., S. Paul, Di abend

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Schleching 2/2008 3.15Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

3. Are there extra spatial dimensions?

al.)et DeKieviet (M. echo-spin beam atomic reflection quantum •al.)et sky Neszvishev V. Abele, (H. field nalgravitatio searth' in theon quantizati (UCN) •

:probes with sExperiment

bodies. with progress Large

scale.length dependent -model aon , a tolead wouldThis

. i.e. ed,compactifi 7 dimensions time-space alconvention 4

:e.g. ,dimensions extra requiren gravitatio quantum of theoriesViable

atom Coldneutron Ultracold

cmicroscopi

cmacroscopi

law sNewton' of onmodificati

dimensions up curled

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Schleching 2/2008 3.16Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Neutron quantization in the earth's gravitational fieldUltracold neutrons (UCNs) probe Newton's law in the μ-meter and the pico-eV range, set limits on such extra forces.

0 1.4 2.5 3.3 4.1 peV

40 μm30 μm20 μm10 μm 0

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Schleching 2/2008 3.17Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

UCN gravitational levels

Neutron density above the mirror measured with a position-sensitive detector with spatial resolution of 1.5 μm

Measurement of neutron transmission as a function of the height of the absorber above the neutron mirror.

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Schleching 2/2008 3.18Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Experimental limits on non-Newtonian gravity

Yukawa Newton

e 1)( /

λrαr

mMGrV

10 10 10 10 10 -9 -8 -7 -6 -5 4

8

12

16

20

24

28

32 10 10 10 10 10 -9 -8 -7 -6 -5

4

8

12

16

20

24

28

32

[m]

7 8

4

6

5

3 2

1

log 1

0 |

|

current experimental limits:

neutronAFM Casimir

atomic Casimir

Difficulties of AFM:Electrostatics, geometry, roughness, lateral Casimir force, theory

Ph. Schmidt-Wellenburg, Sa Vorm.; Schleching 2006

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Schleching 2/2008 3.19Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Neutrinos oscillate: νe↔ νμ , etc. Δm:

Lepton number oscillations Le ↔ Lμ, etc. 0.05 eV

Kaons oscillate: K ↔ K'Strangeness oscillations S ↔ S 10−18 eV

Do neutrons oscillate? n ↔ nbarBaryon-number oscillations B ↔ B ?

Neutron oscillations allowed in various Grand-Unified Theories

4. Neutron oscillations

a) Is baryon number conserved?

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Schleching 2/2008 3.20Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

The antineutron

detector

'Appearence experiment':Experimental limit τn nbar > 0.86·108 s (90% c.l.)

m·c2 = <n|H|nbar> < 10−23 eVprobes 105 GeV range (model dependent)Heidelberg-ILL-Padova-Pavia collaboration (M. Baldo-Ceolin et al., 1994)

The magnetically shielded beam < 5 nT

The ILL neutron oscillation experiment

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Schleching 2/2008 3.21Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

b) Is Dark Matter from a mirror world?Is there a sterile mirror world?

Mohapatra, 2005: n ↔ nmirror

can neutrons spontaneously disappear into sterile,

i.e. unobservable mirror neutrons?

Search for neutron − mirror-neutron oscillations

Experiment: U. Schmidt, spring 2007:

using zero-field spin-echo apparatus at FRM2, and ultrafast 'CASCADE' n-detector

'disappearence experiment' - experimental limit:

NB>0/NB=0 = 1.00002(3) → τn-nmirror > 2.7 s (90% c.l.)

September 2007: New limit from ILL, Serebrov et al.: τn-nmirror > 400 s (90% c.l.)

K. Kirch, Mo Abend?

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Schleching 2/2008 3.22Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM

Summary: low-energy neutron physics beyond S.M.

• Why is charge quantized? (qn)

• Why is so much matter and so little antimatter in the universe? (EDM)• Are there hidden dimensions of space-time? (n-free fall)• Can matter oscillate into antimatter? (n-nbar)• Is there a sterile mirror world? (n-nmirror)… (Paul Di Abend)