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03.02.03 1
ProtonzerfallProtonzerfall
Stephan Kreppner
Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik
03.02.03 2
1. Einleitung
2. Theorie
3. Zerfallsgesetz
4. Experimente
Aufbau
Analyse
Resultate
Übersicht
03.02.03 3
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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2. TheorieWarum 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
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2. TheorieWarum 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. TheorieWarum 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
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2. TheorieWarum 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:
u
d
d
u
d
uW–
e– e
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2. TheorieWarum überhaupt Protonzerfall?
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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2. TheorieWarum 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 (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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2. TheorieWarum überhaupt Protonzerfall?
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
03.02.03 15
4. Experimente Fréjus
Gesamtmasse: 900 t
Detektor: Blitzkammer mit 70% Ne und 30% He (funktioniert wie ein Geiger-Zähler) und Geiger-Zählern
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4. Experimente Fréjus
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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4. Experimente Superkamiokande
Blick in den Detektor
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4. Experimente Superkamiokande
Bilder der zerstörten Photomultiplier vom 17. November 2001
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4. Experimente Superkamiokande
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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4. Experimente Superkamiokande
Monte Carlo Simulation mit sehr langer Beobachtungszeit zum Test der Analysemethoden.
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4. Experimente Superkamiokande
Analyse der MC Simulationen für p e+ + 0 und atm. Neutrinos
p e+ + 0 Atmosphärische Neutrinos
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4. Experimente Superkamiokande
Analyse der Messungen für p e+ + 0 und p + + 0
p e+ + 0 p + + 0
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4. Experimente Superkamiokande
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
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
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