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Protonzerfall

Protonzerfall. Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik. Übersicht. 1. Einleitung. 2. Theorie. 3. Zerfallsgesetz. 4. Experimente  Aufbau  Analyse  Resultate. 1. Einleitung Geschichte des Protons. Demokrit : Atome (gr. atomos ) sind unteilbar.

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Presentation Transcript

  1. Protonzerfall Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik

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

  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. prtoi = „das erste“) • James Chadwick (Nobelpreis 1935), 1932: Entdeckung des Neutrons

  4. 2. TheorieWarum überhaupt Protonzerfall? Fünf Wechselwirkungen: • Elektrische WW • Magnetische WW • Schwache WW (radioaktiver Zerfall) • Starke WW (Anziehung der Nukleonen) • Gravitation

  5. 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

  6. 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 ...

  7. 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

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

  9. 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. sin2W = 0,23124  0,00024

  10. 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 (sin2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

  11. 2. TheorieWarum überhaupt Protonzerfall? 1 d u e+ e+ X Y d u u u 0 0 u u u u 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)

  12. 3. Zerfallsgesetz Zerfall: N = N0  p = t = t = t Zerfallsbreite:  = = t: Meßzeit N0: anfängliche Anzahl dN: zerfallene Anzahl : Detektoreffizienz

  13. 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) • Fréjus (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) • Superkamiokande (Kamioka, Japan): 32,5 kt H2O

  14. 4. Experimente Fréjus

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

  16. 4. Experimente Fréjus Protonzerfall in 500 t Fe (3 mm dünne Platten)

  17. 4. Experimente Superkamiokande Innerer Detektor Äußerer Detektor Gebaut für die Detektion von atmosphärischen -Oszillationen

  18. 4. Experimente Superkamiokande Blick in den Detektor

  19. 4. Experimente Superkamiokande Bilder der zerstörten Photomultiplier vom 17. November 2001

  20. 4. Experimente Superkamiokande Analyse:

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

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

  23. 4. Experimente Superkamiokande p  e+ + 0 p  + + 0 Analyse der Messungen für p  e+ + 0 und p  + + 0

  24. 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%)

  25. 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

  26. 4. Experimente Übersicht über die Ergebnisentwicklung von p  e+ + 0 Fréjus IMB KGF Nusex Soudan (Super-)Kamiokande

  27. Übersicht über alle Zerfallskanäle

  28. 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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