Leptonenzahlverletzung bei

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Leptonenzahlverletzung bei

• von Karen Zumbrägel
• Kernphysikseminar WS 04/05

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Übersicht

• Kurze Einführung
• Theorie
• Das Experiment
• Ablauf und Aufbau
• Ergebnisse
• Herausforderungen
• Zusammenfassung

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Theorie - Standardmodell

• Elektromagnetische Wechselwirkung (WW)
  Theoretische Behandlung durch die
  Quantenfeldtheorie (QED)
• Starke Wechselwirkung Beschreibung über die
  Quantenchromodynamik (QCD)
• Elektroschwache WW Zusammenfassung der
  elektromagnetischen und der schwachen WW im
  Glashow Weinberg Salam Modell (GWS)
• Vollständig ? Kann damit alles erklärt werden?

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Leptonenzahlerhaltung für mit

• Multiplikatives Gesetz
• Bed.
• z.B.
• Erlaubt

• Additives Gesetz
• Bed.
• Erlaubt
• Bem. Myon
• Myonium
• Antimyonium
• Prozess

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Theorie

• 1957 Pontecorvo stellt die Vermutung auf das sich
  spontan in verwandeln kann.
• 1961 Feinberg und Weinberg beschäftigen sich mit
  der Formulierung dieses Prozesses über die 4 -
  Fermionen V-A Wechselwirkung.
• Hamiltonoperator
• G effektive Kopplungskonstante

(1)
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Vorhersagen der Theorie I

• Das resultierende Matrixelement
• eV
• Fermi-Kopplungskonstante
• Die Wahrscheinlichkeit für vorm Zerfall des
  ist gegeben durch
• -Zerfallsrate
• Wahrscheinlichkeit für den Prozess,
  wenn

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Vorhersagen der Theorie II

• Die Wahrscheinlichkeit nach einer Zeit t ein
  zu finden
• Das Maximum der Wahrscheinlichkeit ergibt sich
  für

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Modell der Majorana - Neutrinos

• Standardmodell
• Unterscheidung Neutrino und Antineutrino
  (Diracneutrinos).
• Erweiterung
• Neutrino Antineutrino (Majorana Komponenten)
• Vermutung
• - Konversion finden durch Majorana -
  Neutrino - Austausch statt
• Kopplungsverhältnis

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Modell des - Austauschteilchen I

• Neben den Higgs Bosonen - Dublett
• ( , ) im Standardmodell,
• Postulierung von Higgs-Triplett
• Austauschteilchen für die Myonium - Antimyonium
  Konversion ist

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Modell des - Austauschteilchen II
Der Wechselwirkungsoperator ist Kopplung
Elektron/Myon an Masse
(2)
Vergleich von (1) und (2) liefert Masse
W-Boson dimensionslose Kopplungskonstante gt
Untere Grenze für die Masse von
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Das Experiment - Überblick
Produktion des Myon - Strahls
Bestrahlungskammer ( exposure apparatus)
Messung der Radioaktivität (Low Level
Counting Apparatur)
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Der Myon - Strahl

• Beschleunigte Protonen (500 MeV, 150 A)
  treffen auf einen Kohlenstoff Target

Myon - Fluss Mit Impuls von
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Bestrahlungskammer

• Vorkammer
• UHV Kammer (Bestrahlung)
• Pumpen Cryo und Ionen Pumpe

• Beim Eintrittsfenster misst ein Szintillator
• die Prositronenverunreinigung im Myon Strahl

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Technische Daten

• Durchmesser der Apparatur 10 cm
• Eintrittsfenster Durchmesser 3,5 cm
  Dicke 25 m
• Szintillator Dicke 0,25 mm
• Siliziumoxid Target Durchmesser 7 mm
  Dichte 22 mg/cm³
• Druck während der Bestrahlung in der UHV -
  Kammer Torr

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Probenhalterung
trifft auf - Target -gt Myonium
Wolfram- Folie parallel zum - Target.
W-Folie Größe 8x11 cm Dicke 25 m
Auftreffende produzieren Tantalatome
auf der W - Oberfläche.
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Separieren des Tantal vom Wolfram

• Bestrahlte W Folie wird als Anode (70 V) in
  eine wässrige Lösung von 0,4 M und 0,04 M
  eingetaucht.
• Innerhalb 1 min oxidieren die Seiten (36nm) der
  Folie.
• -Folie wird in eine 15 Lösung von in
  destillierten Wasser getaucht.
• Das verbleibt in der Lösung.
• Wiederholung der Prozedur.

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Vorbereitung des Tantal für die Messung

• Die Lösung mit dem Tantal wird eingedampft.
• Auf eine Aluminium-Folie (4 m dick) wird das
  Tantal geschüttet.
• Anschließend wird die Folie gefaltet und in die
  LLC Apparatur gelegt.

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Zerfall des Tantal

• Das wird im Szintillator registriert.
• Das 414 keV detektiert der Ge-Detektor.

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low level counting Apparatur (LLC)

• Symmetrischer Aufbau
• jeweils ein Ge-Detektor und ein Szintillator mit
  optisch gekoppelten Photomultiplier

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Koinzidenzmessung

• Ereignis
• wird 30 ns nach dem prompt gemessen
• - Pulshöhe größer als der Hintergrund
• Ereignis
• Im gleichen Detektor 4 s lt t(delay) lt
  25 s
• In unterschiedlichen Detektoren
  0,15 s lt t(delay) lt 25 s

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Erwartungen und Ergebnis
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Ergebnisse vom TRIUMF (Kanada)

• Nach einer Bestrahlzeit von 525 h mit
• und Zählzeit im LLC von 602 h
• Ergibt sich
• Jeweils mit einer 90 Sicherheit
• Masse

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Herausforderungen

• Sehr geringe Effizienz des Myoniums - Produktion
  (0,024 0,005)
• und des prompt - Nachweis (0,074
  0,002)
• gt sehr hohe Bestrahlungszeit
  und Zählzeiten
• Ein Magnetfeld H gt 25 mG
• gt Unterdrückung von

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Zusammenfassung

• Wenn beobachtet wird
• müsste das Standardmodell erweitert werden
• Abschätzung für die
• Wahrscheinlichkeit für Prozess
• Kopplung G
• Masse

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Quellen

• T. M. Huber et al., Physical Review Letters 61,
  2189 (1988)
• B. E. Matthias et al., Physical Review Letters
  66, 2716 (1991)
• A. C. Janissen et al., Physical Review A 42, 161
  (1990)
• T. M. Huber et al., Physical Review D 41, 2709
  (1990)
• B. Ni et al., Physical Review D 48, 1976 (1993)