Das Goldhaber Experiment - Physikalisches Institut Heidelberg
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𝜈𝑒− 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 P𝜓 𝑟 = ±𝜓 𝑟 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= 𝑆∙𝑃 𝑆∙𝑃 (= ±1) 𝑃 h= +1 h= -1 𝑆 → Projektion Spin auf Impulsrichtung • Nur für masselose Teilchen eindeutig definiert • Massive Teilchen: Helizität hängt von Bezugssystem ab 𝑃 𝑃′ 𝑣 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Physikalische Grundlagen 4 K-Einfang K-Einfang • 𝑒 − + 𝑝 → 𝜐𝑒 + 𝑛 • vor allem bei schweren Kernen • 𝑒 − zu 90% aus K-Schale, da größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Kern • 𝛾−Strahlung durch 𝑒 − - „Kaskade“ aus höheren Energieniveaus 𝛾-Photon 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Physikalische Grundlagen 5 Idee • Bestimmung der Neutrinohelizität aus: 152𝐸𝑢 + 𝑒 − → 152∗𝑆𝑚 + 𝜈 → 152𝑆𝑚 + 𝜈 + 𝛾 𝑒 𝑒 K-einfang: 𝑒 − + 𝑝 → 𝜐𝑒 + 𝑛 Abb. 1, Quelle (7): Ausschnitt aus dem Zerfallsschema von 152𝐸𝑢 → Spin- und Impulsbetrachtung: Messung der Helizität des Photons! 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 6 Aufbau 𝜈𝑒 152 𝐸𝑢 − Quelle PolarisationsFilter Pb Energie- und Richtungsfilter Detektor B-Feld Abschirmung 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 7 Resonante Streuung • Theoretisch: 𝛾 wird von Atom absorbiert und wieder spontan emittiert → 𝛾-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 𝐸𝑢 + 𝑒 − → 152∗ 𝑆𝑚 + 𝜈𝑒 → 152 𝑆𝑚 + 𝜈𝑒 + 𝛾 𝛾-Photon 𝜈𝑒 𝑃𝑆𝑚∗ Quelle 152∗𝑆𝑚 Absorber 152𝑆𝑚 • Strahlungsquelle bewegt sich auf Absorber zu → Rückstoßimpuls durch Neutrino führt zu Impuls in Richtung 𝛾-Emission! 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 9 Impulsbilanz 152 𝐸𝑢 + 𝑒 − → 152∗ 𝑆𝑚 + 𝜈𝑒 → 152 𝑆𝑚 + 𝜈𝑒 + 𝛾 → 𝑝𝑅(𝜐) = −𝑝𝜈 , → aber: natürliche Linienbreite ist nur: 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 10 Energie zur resonanten Streuung Energie Photon Linienbreite Energie Übergang 𝐸𝑒𝑥𝑐 -3.2eV 𝐸𝑒𝑥𝑐 +3.12eV 𝐸𝑒𝑥𝑐 +3.2eV Abb. 2, Quelle (7) : Schematische Darstellung des Emissionsspektrums und der Absorptionslinie des 961keV Übergangs in 152𝑆𝑚 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 11 → Resonante Streuung kann stattfinden 𝑃𝜈 𝑃𝜈 = - 𝑃𝛾 𝑃𝛾 Aber: • 𝜈𝑒 -Emissionsrichtung nicht genau entgegengesetzt zur 𝛾Emissionsrichtung → 𝛾-Energie wird kleiner; weniger Überlappung Resonanz-Fluoreszenz ist empfindlicher Detektor für Richtung 𝜈𝑒 -Emission 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 12 Aufbau 𝜈𝑒 152 𝐸𝑢 − Quelle PolarisationsFilter Pb 𝑆𝑚2 𝑂3 - Streuer Detektor B-Feld Abschirmung 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 13 Drehimpulsbilanz Aus Drehimpulserhaltung folgt: 𝐼𝐸𝑢 +𝑗𝑒 = 𝐼𝑆𝑚∗ +𝑗𝜈 =𝐼𝑆𝑚 +𝑗𝜈 +𝑗𝛾 152 𝐸𝑢 𝑚𝑧 + 𝑒 − = 152∗𝑆𝑚 + 𝜈𝑒 𝛾 0 +1/2 +1 -1/2 0 -1/2 +1 0 -1/2 -1 +1/2 0 +1/2 -1 𝑆𝛾 𝑆𝛾 19.12.2014 = 152𝑆𝑚 + 𝜈𝑒 + =- 𝑆𝜈 𝑆𝜈 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 14 Ergebnis • 𝑃𝜈 𝑃𝜈 = - Zwei Fälle: 𝑃𝛾 𝑆𝛾 𝑃𝛾 𝑆𝛾 = - 𝑆𝜈 𝑆𝜈 Neutrino Photon 𝑃 1. 𝑆 𝑃 2. 𝑆 h(𝜈𝑒 ) = h(𝛾) 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 15 Rolle des B-Felds • Fe-Magnet: Comptonstreuung der 𝛾 an ausgerichteten 𝑒− • Wirkungsquerschnitt ist abhängig von Polarisation Klein-Nishna-Wirkungsquerschnitt: dΩ= Raumwinkelelement 1 𝑘= ℏ 𝑝𝛾 Wellenvektor 𝛾-Strahlung vor Streuung 1 𝑘′= ℏ 𝑝′𝛾 Wellenvektor 𝛾-Strahlung nach Streuung 𝑃𝑐 (𝛾)= 𝛾-Polarisation 19.12.2014 𝑘 , 𝑘′ = Wellenzahlen 𝜃= Comptonstreuwinkel 𝜎= Polarisationswinkel der 𝑒 − f= Bruchteil der 𝑒 − , die polarisiert sind Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 16 • Polarisationsmessung: B-Feld Umpolung im 3-min Rhythmus und Messung unterschiedlicher Zählraten • 𝛾, die Compton-Streuung vollführen→ Ablenkung und Energieverlust → keine resonante Streuung mehr möglich • Zirkularpolarisation: Schwächung der Zählrate verschieden 𝑑𝜎 𝑑𝜎 ↑↓ > ↓↓ 𝑑Ω 𝑑Ω 19.12.2014 Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 17 Aufbau 𝜈𝑒 152 𝐸𝑢 − Quelle Fe-Magnet Pb NaI (Tl) Szintillator + Photmultip ler 19.12.2014 𝑆𝑚2 𝑂3 - 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: 𝛿= 𝑁− −𝑁+ 0.5× 𝑁− +𝑁+ =+0.017 ±0.003 𝑁− = Zählrate B-Feld nach unten; 𝑁+ = Zählrate B-Feld nach oben • effektive Weglänge Photonen im Magneten ~(3 ±0.3) 𝜆 →theoretischer Wert: 𝛿= ± 0.025 ±0.0025 (100% pol. 𝛾) →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 𝜈𝑒 und 𝛾 Wu: exp. Bestätigung: Paritätsverletzung schwacher WW Goldhaber: negative Helizität Neutrino über Photonen: H(𝛾) = H(𝜈𝑒 ) 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
