Das Goldhaber Experiment - Physikalisches Institut Heidelberg
Werbung
ππ− Das Goldhaber Experiment durchgeführt von : Maurice Goldhaber, Lee Grodzins und Andrew William Sunyar 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 1 Gliederung • • • • • • Motivation Physikalische Grundlagen Experiment Durchführung Zusammenfassung Quellen 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 2 Paritätsverletzung • Bei schwacher Wechselwirkung nicht erhalten • Parität in QM = Rotationssymmetrie des Wellenfunktion Pπ π = ±π π Erklärung: • Schwache Wechselwirkung koppelt nur an linkshändige Teilchen und rechthändige Antiteilchen → Goldhaber Experiment 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Motivation 3 Helizität • Definition: h= πβπ πβπ (= ±1) π h= +1 h= -1 π → Projektion Spin auf Impulsrichtung • Nur für masselose Teilchen eindeutig definiert • Massive Teilchen: Helizität hängt von Bezugssystem ab π π′ π£ 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Physikalische Grundlagen 4 K-Einfang K-Einfang • π − + π → ππ + π • vor allem bei schweren Kernen • π − zu 90% aus K-Schale, da größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Kern • πΎ−Strahlung durch π − - „Kaskade“ aus höheren Energieniveaus πΎ-Photon 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Physikalische Grundlagen 5 Idee • Bestimmung der Neutrinohelizität aus: 152πΈπ’ + π − → 152∗ππ + π → 152ππ + π + πΎ π π K-einfang: π − + π → ππ + π Abb. 1, Quelle (7): Ausschnitt aus dem Zerfallsschema von 152πΈπ’ → Spin- und Impulsbetrachtung: Messung der Helizität des Photons! 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 6 Aufbau ππ 152 πΈπ’ − Quelle PolarisationsFilter Pb Energie- und Richtungsfilter Detektor B-Feld Abschirmung 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 7 Resonante Streuung • Theoretisch: πΎ wird von Atom absorbiert und wieder spontan emittiert → πΎ-Energie entspricht Energiedifferenz → Resonante Streuung • Aber: Verletzung der Energieimpulserhaltung → findet in der Natur nur selten statt (Rückstoßenergien) 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 8 Hier: • Verletzung der Energieerhaltung wird über Dopplereffekt umgangen 152 πΈπ’ + π − → 152∗ ππ + ππ → 152 ππ + ππ + πΎ πΎ-Photon ππ πππ∗ Quelle 152∗ππ Absorber 152ππ • Strahlungsquelle bewegt sich auf Absorber zu → Rückstoßimpuls durch Neutrino führt zu Impuls in Richtung πΎ-Emission! 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 9 Impulsbilanz 152 πΈπ’ + π − → 152∗ ππ + ππ → 152 ππ + ππ + πΎ → ππ (π) = −ππ , → aber: natürliche Linienbreite ist nur: 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 10 Energie zur resonanten Streuung Energie Photon Linienbreite Energie Übergang πΈππ₯π -3.2eV πΈππ₯π +3.12eV πΈππ₯π +3.2eV Abb. 2, Quelle (7) : Schematische Darstellung des Emissionsspektrums und der Absorptionslinie des 961keV Übergangs in 152ππ 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 11 → Resonante Streuung kann stattfinden ππ ππ = - ππΎ ππΎ Aber: • ππ -Emissionsrichtung nicht genau entgegengesetzt zur πΎEmissionsrichtung → πΎ-Energie wird kleiner; weniger Überlappung Resonanz-Fluoreszenz ist empfindlicher Detektor für Richtung ππ -Emission 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 12 Aufbau ππ 152 πΈπ’ − Quelle PolarisationsFilter Pb ππ2 π3 - Streuer Detektor B-Feld Abschirmung 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 13 Drehimpulsbilanz Aus Drehimpulserhaltung folgt: πΌπΈπ’ +ππ = πΌππ∗ +ππ =πΌππ +ππ +ππΎ 152 πΈπ’ ππ§ + π − = 152∗ππ + ππ πΎ 0 +1/2 +1 -1/2 0 -1/2 +1 0 -1/2 -1 +1/2 0 +1/2 -1 ππΎ ππΎ 19.12.2014 = 152ππ + ππ + =- ππ ππ Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 14 Ergebnis • ππ ππ = - Zwei Fälle: ππΎ ππΎ ππΎ ππΎ = - ππ ππ Neutrino Photon π 1. π π 2. π h(ππ ) = h(πΎ) 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 15 Rolle des B-Felds • Fe-Magnet: Comptonstreuung der πΎ an ausgerichteten π− • Wirkungsquerschnitt ist abhängig von Polarisation Klein-Nishna-Wirkungsquerschnitt: dΩ= Raumwinkelelement 1 π= β ππΎ Wellenvektor πΎ-Strahlung vor Streuung 1 π′= β π′πΎ Wellenvektor πΎ-Strahlung nach Streuung ππ (πΎ)= πΎ-Polarisation 19.12.2014 π , π′ = Wellenzahlen π= Comptonstreuwinkel π= Polarisationswinkel der π − f= Bruchteil der π − , die polarisiert sind Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 16 • Polarisationsmessung: B-Feld Umpolung im 3-min Rhythmus und Messung unterschiedlicher Zählraten • πΎ, die Compton-Streuung vollführen→ Ablenkung und Energieverlust → keine resonante Streuung mehr möglich • Zirkularpolarisation: Schwächung der Zählrate verschieden ππ ππ ↑↓ > ↓↓ πΩ πΩ 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 17 Aufbau ππ 152 πΈπ’ − Quelle Fe-Magnet Pb NaI (Tl) Szintillator + Photmultip ler 19.12.2014 ππ2 π3 - Streuer Fe + Pb Abschirmung Mu-Metallabschirmung Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 18 Szinillationszähler • Hier: anorganisch (NaI mit 0,1% Thallium dotiert) • Strahlung erzeugt: Exzitonen, Elektron-Loch-Paare • Rekombination in Telluratomen →Strahlung im sichtbaren Bereich Abb. 3, Quelle (4): 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 19 Untergrund • Bestimmung Untergrund ohne B-Feld mit und ohne resonantem Streuer • Sm-Streuer: deutliche Peaks bei 840keV und 960 keV Abb. 4, Quelle (8) 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 20 Ergebnis • gemessen: πΏ= π− −π+ 0.5× π− +π+ =+0.017 ±0.003 π− = Zählrate B-Feld nach unten; π+ = Zählrate B-Feld nach oben • effektive Weglänge Photonen im Magneten ~(3 ±0.3) π →theoretischer Wert: πΏ= ± 0.025 ±0.0025 (100% pol. πΎ) →nur (68±14)% Polarisation; negative Helizität • 3 Druchgänge mit dünnerem Magneten → (66±15)% Polarisation; negative Helizität 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 21 Zusammenfassung Korrekturen: • Neutrino Energie; natürliche Linienbreite; Unsicherheit im Winkel zwischen ππ und πΎ Wu: exp. Bestätigung: Paritätsverletzung schwacher WW Goldhaber: negative Helizität Neutrino über Photonen: H(πΎ) = H(ππ ) bestätigt Deutung: • Symmetriebruch; schwache WW koppelt nur an linkshändige Neutrinos bzw. rechtshändige Antineutrinos 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Zusammenfassung 22 Quellen: 1. http://de.wikipedia.org/wiki/Goldhaber-Experiment (03.12.2014) 2. http://de.wikipedia.org/wiki/Parit%C3%A4tsverletzung (03.12.2014) 3. http://de.wikipedia.org/wiki/Helizit%C3%A4t (03.12.2014) 4. https://www.mppmu.mpg.de/~rwagner/skript/Szintillation.html (03.12.2014) 5. http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&v ed=0CC0QFjAC&url=http%3A%2F%2Fwww.physi.uniheidelberg.de%2F~fschney%2FSeminar.SS09%2FGoldhaber.pdf&ei=UnS5 VOCRFcmuPJCwgbAG&usg=AFQjCNHcgciQxS7huJs5ZXWonOUL6EfH6g (03.12.2014) 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Quellen 23 Quellen: 6. B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, W. Rodejohann: Teilchen und Kerne. Springer-Verlag Berlin, 2014 (27.11.2014) 7. E. Bodenstedt: Experimente der Kernphysik und ihre Deutung Teil 2. Wissenschaftsverlag Mannheim, 1979 (27.11.2014) 8. M. Goldhaber, L. Grodzins, A.W. Sunyar: Helicity of Neutrino. Physical Review 109 (1958) 1015 (24.11.2014) 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 25
