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03.02.031 Protonzerfall Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik.

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Präsentation zum Thema: "03.02.031 Protonzerfall Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik."—  Präsentation transkript:

1 Protonzerfall Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik

2 2 1. Einleitung 2. Theorie 3. Zerfallsgesetz 4. Experimente Aufbau Analyse Resultate Übersicht

3 Einleitung Geschichte des Protons Demokrit: Atome (gr. atomos) sind unteilbar. Sir Joseph John Thomson (Nobelpreis 1906), 1905: Entdeckung des Elektrons Ernest Rutherford (Nobelpreis für Chemie 1908), 1911: Entdeckung des Atomkerns und Namen- gebung für das Proton (gr. pr toi = das erste) James Chadwick (Nobelpreis 1935), 1932: Entdeckung des Neutrons

4 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Fünf Wechselwirkungen: –Elektrische WW –Magnetische WW –Schwache WW (radioaktiver Zerfall) –Starke WW (Anziehung der Nukleonen) –Gravitation

5 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Gelungene Vereinheitlichungen: –James Clark Maxwell, 1873: Vereinheitlichung von elektrischer und magnetischer WW zur elektro- magnetischen WW nur noch vier (fundamentale) WW –Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam, Steven Weinberg 1971 (Nobelpreis 1979): Vereinheitlichung von elektromagnetischer und schwacher WW zur elektro- schwachen WW nur noch drei WW: elektroschwach, stark und gravitativ

6 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Gescheiterte Vereinheitlichungen: –Albert Einstein (Nobelpreis 1921): Versuch, Gravitation und Elektrodynamik zu vereinheitlichen –Werner Karl Heisenberg (Nobelpreis 1932): Aufstellung einer Feldgleichung für eine vereinheitlichte Theorie der Elementarteilchen (sog. Nichtlineare Spinortheorie) –Karl Friedrich von Weizsäcker: vereinheitlichte Theorie für sog. Urteilchen –und viele mehr...

7 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Erhoffte Vereinheitlichungen: –Formulierung einer Großen Vereinheitlichten Theorie (Grand Unified Theory, GUT): Vereinheitlichung von elektroschwacher und starker WW nur noch zwei WW –Formulierung einer Theorie für Alles (Theory of Everything, TOE): Vereinheitlichung der elektroschwachen, starken und gravitativen WW nur noch eine einzige WW

8 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Elektroschwache Vereinheitlichung: SU(2) L U(1) keine Übergänge Lepton - Quark, aber Übergänge in den einzelnen Lepton- und Quarkfamilien (Baryonen- und Leptonenzahlerhaltung) Neutronzerfall: u d d u d u W–W– e–e– e

9 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Weinbergwinkel: 4 Austauschbosonen der schwachen WW: W +, W -, W 0 und B 0 1 Austauschboson der elektromagnetischen WW: W 0 und B 0 aber nicht beobachtbar: Weinbergwinkel ist im Standardmodell ein freier Parameter, der nur gemessen werden kann. sin 2 W = 0, ,00024

10 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? GUT: neue große Symmetriegruppe G SU(3) C SU(2) L U(1), die einfachste ist eine SU(5) Vorhersagen einer GUT: - Weinbergwinkel wird vorhergesagt (sin 2 W = 3/8) - Quantisierung der Ladung - magnetische Monopole - kleine Neutrinomassen - neue leptoquark Bosonen X (Q = +4/3) und Y (Q = +1/3) führen zu Übergängen zwischen Leptonen und Quarks Folge: Protonzerfall

11 Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Protonzerfall: z.B. p e (Verzweigunsverhältnis ca. 45%) Lebensdauer des Protons: p 4,5 · a mit M X = 5 · GeV (Masse des X-Bosons) u u d u u e+e+ X 0 1 u d u u u e+e+ Y 0

12 Zerfallsgesetz Zerfall: N = N 0 p = t = t = t Zerfallsbreite: = = t: Meßzeit N 0 : anfängliche Anzahl dN: zerfallene Anzahl : Detektoreffizienz

13 Experimente Übersicht Tracking-Kalorimeter-Detektor –Soudan (Soudan Mine, Minnesota) –KGF (Kolar Gold Field, Indien): 60 t Fe –Nusex (Mont Blanc Tunnel): 100 t Fe (5,0 · p) –Fréjus –Fréjus (Fréjus Tunnel, Grenze Frankreich - Italien): 500 t Fe Wasser-Čerenkov-Detektor –IMB (Irvine Michigan Brookhaven, Cleveland, Ohio): 3,3 kt H 2 O –HPW (Park City, Utah): 560 t H 2 O (1,0 · p) –Superkamiokande –Superkamiokande (Kamioka, Japan): 32,5 kt H 2 O

14 Experimente Fréjus

15 Experimente Fréjus Gesamtmasse: 900 t Detektor: Blitzkammer mit 70% Ne und 30% He (funktioniert wie ein Geiger- Zähler) und Geiger-Zählern

16 Experimente Fréjus Protonzerfall in 500 t Fe (3 mm dünne Platten)

17 Experimente Superkamiokande Innerer Detektor Äußerer Detektor Gebaut für die Detektion von atmosphärischen -Oszillationen

18 Experimente Superkamiokande Blick in den Detektor

19 Experimente Superkamiokande Bilder der zerstörten Photomultiplier vom 17. November 2001

20 Experimente Superkamiokande Analyse:

21 Experimente Superkamiokande Monte Carlo Simulation mit sehr langer Beobachtungszeit zum Test der Analysemethoden.

22 Experimente Superkamiokande Analyse der MC Simulationen für p e und atm. Neutrinos p e Atmosphärische Neutrinos

23 Experimente Superkamiokande Analyse der Messungen für p e und p p e p + + 0

24 Experimente Superkamiokande Messungen für p e und p : Masse des Detektors: 32,5 kt ( 6,0 · Protonen) Meßzeit: 784,9 Tage Meßergebnisse: p e : 2,59 · a p : 2,07 · a (confidence limit jeweils 90%)

25 Experimente Ergebnisse für p e Tracking-Kalorimeter-Detektor –Soudan: 1,3 · a –KGF: 5,8 · a –Nusex: 1,5 · a –Fréjus: 7 · a Wasser-Čerenkov-Detektor –IMB: 5,4 · a –HPW: 1,3 · a –Superkamiokande: 2,59 · a

26 Experimente Übersicht über die Ergebnisentwicklung von p e FréjusIMBKGFNusexSoudan(Super-)Kamiokande

27 Übersicht über alle Zerfallskanäle

28 Literatur Josef Honerkamp: Von fundamentalen Wechselwirkungen und vereinheit- lichten Theorien, Vortrag anlässlich des Empfangs der Emeriti der Albert- Ludwigs-Universität Freiburg am 05. Mai Superkamiokande, Universität Tokio Annual Review of Nuclear and Particle Science 1984, 34: Proton Decay Experiments Brett Michael Viren: A Search for the Decay of Protons to e + 0 and + 0, Dissertation, State University of New York at Stony Brook, 2000 Christoph Berger: Elementarteilchenphysik, Springer 2000 Physical Review D Part I, 2002 Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A262, 1987: The Fréjus Nucleon Decay Detector Donald Perkins: Hochenergiephysik, Addison-Wesley 1991


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