Schlüsselexperimente der Teilchenphysik

Schlüsselexperimente der Teilchenphysik
Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller | 17. April 2009
Die Helizität des Neutrinos
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Die Helizität des Neutrinos | 17. April 2009 | Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller
Inhaltsverzeichnis
Das Goldhaberexperiment
I
Einleitung
I
Prinzip
I
Experiment
I
Ergebnisse
I
Diskussion
I
Referenzen
Abb.: Originalfoto des Goldhaberexperiments
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Einleitung
Status quo 1958
Ergebnis des Wu-Experiments:
I
Schwache Wechselwirkung verletzt Paritätserhaltung
Abb.: Ergebnis Wu-Experiment. Bethge: Kernphysik, Springer 2008.
Daraufhin aufkommende Hypothese:
I
Neutrino hat negative Helizität H(ν) = −1
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Helizität
Definition der Helizität:
H :=
~s · ~p
|~s | · |~p |
~s =
b Spin-Vektor, ~p =
b Impuls-Vektor
I
I
beschreibt die Einstellung des Spins ~s relativ zum Impuls ~p
für masselose Teilchen eindeutig bestimmt
Einleitung
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Herangehensweise
Ziel:
I
Bestimmung der Helizität des Neutrinos aus
152m
63 Eu
∗
152
+ e − −→ 152
62 Sm + νe → 62 Sm + γ
Problemstellung:
I Neutrinonachweis
I Bestimmung von ~
sνe und ~pνe aus
Prinzip
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Prinzip
Bestimmung von ~pνe
Methode: Resonanzfluoreszenz
152
I
Quelle und Absorber bestehen aus dem gleichen Isotop von
I
Sm
Kern - γ - Strahlung wird in einem Streuer unter Anregung absorbiert
I
nur dann möglich, wenn sich Strahlungsquelle auf Streuer zu bewegt
(Dopplereffekt)
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Prinzip
Problem: Energieerhaltung verletzt
I
Energie des emittierten Photons: Eγemit = Eexc −
p~γ 2
2MSm
I
benötigte Energie zur Absorption: Eγabs = Eexc +
p~γ 2
2MSm
≈ Eexc + 3.2eV
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Lösung: Dopplershift
Prinzip
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Lösung: Dopplershift
Prinzip
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Lösung: Dopplershift
Prinzip
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Damit ergibt sich insgesamt:
I Neutrino νe und γ-Quant werden entgegengesetzt emittiert:
~pνe = −~pγ , wegen ϕ ≈ 0◦
I Überlapp von Energiespektrum des emittierten γ-Quants mit
Absorptionsspektrum von 152
62 Sm, wegen Dopplershift
Prinzip
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Bestimmung von ~sνe
Drehimpulserhaltung:
I
in beiden Fällen gilt also: mz (ν) = −mz (γ)
Prinzip
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Prinzip
Insgesamt gilt also:
~pνe = −~pγ
mz (ν) = −mz (γ)
I
anschaulich heißt das:
Helizität
Die Helizität des Neutrinos ist bereits durch die des γ-Quants festgelegt:
Hνe = Hγ
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Prinzip
Polarisationsmessung
I
Compton-Streuquerschnitt für Photonen an magnetisiertem Eisen:


0 2
dσ
e4
k
(Pc (γ)) =
· φ0 + f · Pc (γ) ·φc 
2
| {z }
dΩ
2 · (4π) 20 me2 c 4 k
!!
( Klein − Nishina − Formel“)
”
⇒
dσ
dΩ
hängt explizit von Pc (γ) ab
Polarisationsmessung
dσ
dσ
(↑↓) >
(↑↑)
dΩ
dΩ
~
→ messbar durch Einstellung der B-Feld
Richtung
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~
Rolle des B-Feldes:
I
~ verschiedene Countraten
man erhält in Abhängigkeit von B
Prinzip
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Das Experiment
Aufbau
152
Eum Quelle
Magnet
I 152m Eu
10 cm
Sm2O3
Ring
Pb
Fe + Pb
Abschirmung
– Quelle
I
Magnet
I
Bleischild
I
Sm2 O3 – Streuer
I
NaI(Tl) – Szintillator
I
Photomultiplier
NaI
(Tl)
Photomultiplier
Abb.: Aufbau des Goldhaberexperiments.
Povh: Teilchen und Kerne, Springer 2006.
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Das Experiment
Europium-Quelle und Magnet
I 152m Eu
63
kontinuierlich durch
Beschuss im Brookhaven reactor“
”
erzeugt aus Eu2 O3
Abb.: L. Grodzins beim Aufbau des Experiments.
Quelle unbekannt.
I
Nur metastabiles Europium geeignet
(t1/2 = 9.3 h, sonst 13.5 a)
I
Feste und flüssige Quelle
I
Zwei verschiedene Magnetdicken
I
Magnetfeldumpolung alle 3 Minuten
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Das Experiment
Szintillator
E
Elektron
Exziton
I
NaI-Kristall mit Tl-Dotierung
I
Leitungsband
Exzitonband
I
Bandlücke 5-10 eV
Fremdatome bilden
Aktivatorzentren
Akzeptorniveaus
I
Emittiert 410 nm Licht
I
30 % Quantenausbeute
Valenzband
Loch
Abb.: Prinzip eines Szintillators. Stachel: Script
Physik V.
I
Strahlung oder ionisierende Partikel heben (mehrere) Elektronen in Leitungsoder Exitonband.
I
Rekombination entweder direkt oder über Aktivatorzentrum
→ sichtbares Licht, einige eV
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Ergebnis
Untergrund
I
Ohne Magnetfeld
I
Untergrund durch anderen
(nichtresonanten) Streuer gleicher
Geometrie bestimmt
I
Sm – Streuer zeigt deutliche
Struktur bei 840 keV und 960 keV
I
Strecke im Magneten etwa 3λ
d. h. nur Bruchteil (∼ e−3 ) der
Photonen durchdringt den Magnet
Abb.: Messergebnis Counts. Bethge: Kernphysik,
Springer 2008.
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Messung mit Magnetfeld
I
Insgesamt 9 Durchläufe mit je 3-9 h
I
WQ:
I
Je nach Magnetfeld-Richtung unterschiedliche Zählrate
I
Effekt Klein-Nishina ∼ 1 %
I
Problem: Untergrundgenauigkeit- und stabilität
I
Hohe Messgenauigkeit nötig
dσ
dΩ (↑↓)
>
dσ
dΩ (↑↑)
Ergebnis
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Messung mit Magnetfeld
I
Insgesamt 9 Durchläufe mit je 3-9 h
I
WQ:
I
Je nach Magnetfeld-Richtung unterschiedliche Zählrate
I
Effekt Klein-Nishina ∼ 1 %
I
Problem: Untergrundgenauigkeit- und stabilität
I
Hohe Messgenauigkeit nötig
dσ
dΩ (↑↓)
>
dσ
dΩ (↑↑)
Messung
δ=
1
2
N− − N+
= +0.017 ± 0.003
(N− + N+ )
N± : Zählrate für nach oben/unten zeigendes Magnetfeld
Ergebnis
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Ergebnis
Polarisation
Theoretische Berechnung (über mittlere Wegstrecke im Magneten)
δ = ±0.025 ± 10 %
für 100 % links-/rechtszirkulare Polarisation der Strahlung H(γges ) = ∓1
Ergebnis:
(68 ± 14) % der Strahlung sind linkszirkular polarisiert H(γ) = −1
Abb.: Messergebnis Helizität. Quelle unbekannt.
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Ergebnis
Korrekturen & Helizität
I
Neutrino Energie
I
I
Natürliche Linienbreite
Unsicherheit im Winkel zwischen ν und γ
I
Thermische Bewegung
→ Beobachtbarer Effekt max. 75 %, wenn H(γ) = −1 für alle Photonen
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Ergebnis
Korrekturen & Helizität
I
Neutrino Energie
I
I
Natürliche Linienbreite
Unsicherheit im Winkel zwischen ν und γ
I
Thermische Bewegung
→ Beobachtbarer Effekt max. 75 %, wenn H(γ) = −1 für alle Photonen
→ Verträglich mit (68 ± 14) % aus dem Messergebnis
Helizität des Neutrinos
Neutrinos sind linkshändig, d. h.
H(ν) = −1
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Diskussion
Zusammenfassung & Deutung
I
Vorher:
I
I
I
I
Goldhaber:
I
I
I
I
Schwache WW verletzt möglicherweise Paritätserhaltung
Wu: experimentelle Bestätigung
Evidenz für negative Helizität des Neutrinos
findet Element, das den Anforderungen genügt: 152m
63 Eu
misst Helizität über Polarisation von Photonen: H(ν) = H(γ)
Messung stimmt nach Korrekturen mit neg. Helizität H(ν) = −1 überein
Nachher, Deutung:
I
I
I
Natur unterscheidet Händigkeit, Symmetriebruch
Austauschbosonen Z 0 , W ± der schwachen WW koppeln nur an linkshändige
Neutrinos bzw. rechtshändige Antineutrinos
Aber: Neutrinos nicht masselos
→ rechtshändige Neutrinos
→ nur gravitative WW
Kandidat für Dunkle Materie“, aber nur 4 % baryonische Masse
”
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Referenzen
Referenzen
I
E. Bodenstedt, Experimente der Kernphysik und ihre Deutung, Teil 2;
Wissenschaftsverlag, Mannheim 1979
I
M. Goldhaber, L. Grodzins, A.W. Sunyar, Helicity of Neutrino; Physical
Review 109 (1958) 1015
I Titelbilder: http://www.bnl.gov/nh50/files/pdf/Helicity50Symposium Poster.pdf
(31.03.09)
I http://www-linux.gsi.de/∼wolle/Schuelerlabor/TALKS/DETEKTOREN/VO-5-
Szintillatoren.pdf
(31.03.09)