10. Mai 2007: U. Schmidt

Neutron-Spiegelneutron
Oszillation
Messung am FRM II
Zusammensetzung des
Universums
4% bekannte Materie des Standardmodells
22 % dunkle Materie
74 % dunkle Energie
Dunkel: astronomisch nicht sichtbar, Nachweis indirekt
• Gravitation der sichtbaren Materie reicht zur Erklärung
der Verklumpung (Bildung der Galaxien) nicht aus
• Umlaufgeschwindigkeit von Sternen in Spiralgalaxien müsste
bei großem Abstand zum Zentrum kleiner sein als beobachtet
• Galaxienhaufen kann nicht durch Gravitation der sichtbaren
Materie zusammengehalten werden.
Was ist dunkle Materie?
Es gibt verschiedene Vorschläge und Vorstellungen hierzu:
• Supersymmetrische Teilchen
 jedem bosonischen Teilchen wird ein fermionischer
supersymmetrischer Partner zugeordnet (u. umgekehrt)
• WIMPs Weakly Interacting Particles
 Elementarteilchen, die keine el. Ladung haben und
nur der schwachen Wechselwirkung und der
Gravitation unterliegen. Masse ca. 10-1000 GeV/c2
• Teilchen der Spiegelwelt
Spiegelmaterie
Idee einer Übertheorie zur Erhaltung der Symmetrie der Welt
R-Transformation: stellt den Übergang von der Welt in
die Spiegelwelt dar


PR-Transformation: Paritätstransformation r   r
und Transformation von Welt  Spiegelwelt
Welt:
nur linkshändige  und nur rechtshändige 
Spiegelwelt: nur rechtshändige   und nur linkshändige  
Welt und Spiegelwelt können nicht stark oder elektromagnetisch
wechselwirken
Messgrößen von
Spiegelteilchen
Messen von Spiegelteilchen:
• direkt:
ist nicht möglich, da es keine Detektoren
zum direkten Nachweis von Spiegelmaterie gibt
• indirekt: durch Nachweis des Verschwindens („normaler“)
Teilchen
Beobachten des Verschwindens von Teilchen aus einem Strahl
wenn alle anderen Wechselwirkungen des Teilchens unterdrückt sind.
(Bei der Messung mit Neutronen: Magnetfeldfreie Flugstrecke)
Meßgröße:
Bestimmung der Oszillationszeit
Neutron  Spiegelneutron  Neutron
What are mirror particles ???
P
World is not
P symmetric
P
World is PR
symmetric
R
R
Properties of mirror particles
For each particle exists a mirror particle
which has exactly the same properties in
the mirror world, as the particle in the word
beside handiness.
Interaction between particles and
mirror particles: gravity
Possible interaction between particles and mirror particles:
Oscillations/mixing between neutral particles and mirror particles
g « g¢
n « n¢
n « n¢
Messung mit Neutronen
Neutronen zeichnen sich für eine Messung zur Spiegelwelt aus, da:
• sie sind neutral,
 von geladenen Teilchen gehen em. Felder aus,
die ein Oszillieren unterdrücken
• sie eine lange Lebensdauer haben,
 eine große Beobachtungszeit ist vorhanden
• hohe Flüsse und effiziente Detektoren stehen zur Verfügung,
 kleine statistische Fehler
Messung
Oszillation von Neutronen in Spiegelneutronen ist im feldfreien Raum möglich
Messung von:
• Neutronenrate bei Anwesenheit eines externen
Magnetfeldes auf der Flugstrecke
• Neutronenrate bei feldfreier Flugstrecke
Messzeit: 500 ms für jeden Messzyklus
Flugzeit: 17 ms
Während An- und Ausschalten des B-Feldes 100 ms Pause
Gesamte Messzeit: ca. 26.5 Stunden
große Anzahl an Verhältnissen:
n-Rate im feldfreien Raum
n-Rate bei Anwesenheit eines B-Feldes
Durchführung
Spektrometer: RESEDA am FRM II
• Abschrimung des Erdmagnetfeldes durch doppelwandiges
 -Metallrohr (Spektrometerarme je 2.6 m)
• Spule innerhalb des  -Metallrohrs, die Anschalten eines
externen Magnetfeldes ermöglicht
Durchführung
Detektor: CASCADE-Detektor
• hochratentauglich
o
• hohe Effizienz: für   11 A  Effizienz ca. 40 %
Restmagnetfeld
Ausmessen des longitudinalen und transversalen Rest-Magnetfelds
mit Förster- und Barrington-Sonde
 transversales Rest-Magnetfeld: vernachlässigbar
 longitudinales Rest-Magnetfeld:
Restmagnetfeld T
1.75
1.5
1.25
1
0.75
0.5
0.25
0
0
1
2
3
4
Neutronenflugstrecke m
5
6
Restmagnetfeld
Vergleich der Restmagnetfelder mit und ohne zusätzliches
 -Metallrohr in der Probenregion
Restmagnetfeld
T
10
5
1
0.5
0.1
0.05
0.01
0
1
2
3
4
Neutronenflugstrecke m
5
6
Unterdrückungsintegral
Neutron und Spiegelneutron: 2 Zustandssystem Neutron: |n>
Spiegelneutron: |n´>
Hamiltonoperator: H = H0 +  V
H0: beschreibt Neutron und Spiegelneutron als
2 getrennte Systeme ohne Übergang
V: Störung die den Übergang von n  n´ ermöglicht
Übergangswahrscheinlichkeit ( Messzeit << Oszillationszeit ):

4
2
Pnn´ (t )  ( t ) 1  2
 l

 

0 sin  2 v ( Bint ( x´)  Bint ( x´´)) dx´dx´´
l x´´

0
Länge der Flugstrecke
nn´-Übergangsamplitude
2

Neutronengeschwindigkeit
B-Feldintegral
über Flugstrecke
gyromagnetisches
Verhältnis
Auswertung
gemessene Neutronenzahl ohne B-Feld
gemessene Neutronenzahl mit B-Feld
1  Pnn´
 1 
1
 t    
 min
l

v


̂
̂ 1-Pnn´
1
1
mit:  
n
mit:
   1
 x  x 
i
i
n  1
Ergebnisse
Unterdrückungsintegral:
  0.927
(ohne  -Metallrohr:
  0.35 )
Verhältnis der Raten:
N an
 1.000020(27)
N aus

Oszillationszeit:
 min  2.72s
bei 90% Konfidenzlevel
Reaktorrauschen
Standardabweichung =
(statistischer Fehler)2 + (Reaktorrauschen)2
statistischer Fehler und Reaktorrauschen sind nicht korreliert
Beispiel: Standardabweichung: 0.0082
statistischer Fehler:
0.0039
Reaktorrauschen: 0.0072
Reaktorrauschen
relativer Fehler Wertepaar 10
3
Abhängigkeit des Reaktorrauschens von der Korrelationszeit:
12
10
8
6
4
2
1
2
5
10
20
Korrelationszeit s
50
100
Ausblick
Messung mit VCNs
 längere Flugzeit der Neutron
Neutron-Spiegelneutron-Oszillation
wird wahrscheinlicher