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Die magneto-mechanische Anomalie des Myons Seminar für Kern- und Teilchenphysik Michael Grevenstette.

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Präsentation zum Thema: "Die magneto-mechanische Anomalie des Myons Seminar für Kern- und Teilchenphysik Michael Grevenstette."—  Präsentation transkript:

1 Die magneto-mechanische Anomalie des Myons Seminar für Kern- und Teilchenphysik Michael Grevenstette

2 Kurzübersicht Einführung Was ist der g-Faktor? theoretische Beschreibung Vergleich von Elektronen und Myonen Messung von g-2 beim Myon Ergebnisse von Theorie und Experiment Zusammenfassung und Ausblick

3 Einführung Wozu die Präzisionsmessung des g-Faktors? strenger Test von QED und QCD Überprüfung des Standardmodells Hinweise auf neue Physik?

4 Einführung Herleitung g-Faktor magnetisches Moment klassisch: betrachte z. B. Kreisstrom: allg.: Def.: e-e-

5 Einführung quantenmechanische Betrachtung: Drehimpulse quantisiert: speziell Elektron:

6 Einführung aus Dirac-Gleichung der QM folgt: g=2 aber: bei Elektronen

7 Einführung magnetomechanische Anomalie des Elektrons: Größenordnung von : woher stammt die Abweichung? (nach Theorie des SM sind Elektronen Punktteilchen)

8 theoretische Beschreibung Ursachen für die Anomalität: Wechselwirkung mit virtuellen Feldern Korrekturen durch: Prinzip der Korrekturen für alle Leptonen ähnlich! QED hadronische Vakuumpolarisation schwache WW

9 theoretische Beschreibung Beiträge zur Anomalität: allg.: a(theor.) = a(QED) + a(hadr.) + a(weak) Beitrag durch QED: Wechselwirkung mit virtuellen Photonen und Leptonen Entwicklung nach Potenzen von Betrachtung aller möglichen und relevanten Loops

10 theoretische Beschreibung 1. Summand (2.Ordnung): Schwinger-Term (1948) C 1 = Summand (4. Ordnung): entsprechend mit 4 Knotenpunkten wie Schwinger Term auch analytisch berechnet C 2 =

11 theoretische Beschreibung Korrekturen 6. und 8. Ordnung: keine analytische Rechnung mehr möglich 8. Ordnung durch Kinoshita et al. berechnet C 3 = (42) C 4 = (138) Terme höherer Ordnungen vernachlässigbar!

12 theoretische Beschreibung Voraussetzung für Kenntnis von a(QED): sehr genaue Bestimmung der Feinstruktur- konstante Messung mit Hilfe des Quanten-Hall-Effekts (Wert von 1986)

13 theoretische Beschreibung Differenzierung der Leptonen: bei Elektronen Beiträge von a(hadr.) sowie a(weak) gering bei Myonen jedoch relevant Sensitivität

14 theoretische Beschreibung Idealfall: Messung von a mit Hilfe des Tauons Problem: viel zu geringe Lebensdauer Masse (MeV) Lebensdauer (s) Elektron0,511stabil Myon105,72, Tauon17802,

15 theoretische Beschreibung Beiträge der hadronischen Wechselwirkung: hadr. Vakuumpolarisation Kopplungskonstante groß Berechnung schwierig Berechnung mit Hilfe von WQ-Betrachtungen: normalisierter WQ:

16 theoretische Beschreibung Beiträge der hadronischen Wechselwirkung: hadr. light-by-light-scattering: insgesamt: a(hadr.) = 6,940 (142)

17 theoretische Beschreibung Beiträge der elektroschw. Wechselwirkung: Beiträge durch virtuelle Austauschteilchen z.B. W,Z-Bosonen, Higgs-Boson insgesamt: a(weak) = 195 (1)

18 theoretische Beschreibung theoretisch berechnete Gesamtwerte für a: Elektron: a e (theor.) = 1, (28) Myon: a µ (theor.) = 1, (176) Werte für Teilchen und Antiteilchen identisch angenommene CP-Invarianz

19 Experiment Experimentelle Bestimmung von a: Grundprinzip: beobachte Bewegung der Teilchen im Magnetfeld Messung des Unterschiedes zwischen Spinpräzessionsfrequenz und Zyklotonfrequenz

20 Experiment Präzisionsmessung von a e mit Hilfe der Penning-Falle (Dehmelt et al. 1987) Einschluss eines Elektrons Überlagerung von elektrischem Quadrupol- und magnetischem Dipolfeld Messung von a e mit Hilfe spezieller Techniken

21 Experiment

22 Resultate: gute Übereinstimmung mit der Theorie Werte innerhalb Messungenauigkeit kein Hinweis auf CP-Verletzung

23 Experiment Messung von g-2 beim Myon: kurze Lebensdauer Messung mit Hilfe der Penning-Falle nicht möglich Produktion von Myonen notwendig Beschleunigerexperiment Benutzung relativistischer Myonen Verlängerte Lebensdauer im Laborsystem

24 Experiment Messung von a µ am BNL: Fortsetzung von drei vorangegangen Experimenten in den 60er und 70er Jahren am CERN die gleiche Technik wie im letzten CERN- Experiment zu g-2 Ziel: Messung von a µ bis auf

25 Experiment Messung von a µ am BNL:

26 Experiment Grundprinzip der Messung: Erzeugung von Pionen durch Beschuss eines festen Targets mit Protonen durch Zerfall der Pionen entstehen Myonen Polarisation der Myonen (Spin antiparallel zur Bewegungsrichtung) Spin präzediert im Magnetfeld, da Messung von a µ mit Hilfe der beim Zerfall entstandenen Positronen

27 Experiment durch das Magnetfeld präzediert der Spin um den Impulsvektor

28 Experiment Bestimmung von : Spin-Präzessionsfrequenz (Larmor-Frequenz) : Zyklotronfrequenz:

29 Experiment Im Magnetfeld ist, daher kann man aus der Differenz a µ bestimmen. elektrisches Quadrupolfeld zusätzlich zum Magnetfeld Fokussierung der Myonen

30 Experiment benutze Trick: magic weiterer Vorteil: Lebensdauer verlängert sich um mehr Spinpräzessionen!

31 Experiment Wie kann man aufschließen? aus dem Zerfall von kann man Rückschlüsse auf Spin des Myons ziehen mit Hilfe von Elektronenkalorimetern werden die Positronen registriert nur Positronen ab einer Energieschwelle tragen zum Ergebnis bei

32 Experiment Positronspuren im Detektor: a)Positron geringer Energie gelangt ins Kalorimeter b)Positron verfehlt das Kalorimeter c)Positron hoher Energie gelangt ins Kalorimeter

33 Experiment Aus den Daten der Kalorimeter erhält man folgende Funktion der Teilchen-Counts:

34 Originalexperiment Experimenteller Aufbau:

35 Experiment schematischer Aufbau:

36 Experiment 1-24: Kalorimeter Durchmesser ca. 14 m

37 Experiment Kalorimeter, schematischer Aufbau: Eintrittsfenster Photomultiplier

38 Experiment Wie erreicht man die hohe Genauigkeit? sehr genaue Messung und Kontrolle der Homogenität des Magnetfeldes stationäre und bewegliche NMR-Magnetfeld- messungen durch Frequenz- bzw. Zeitmessung lassen sich sehr gute Resultate erzielen durch Zeitdilatation sind noch mehr Umläufe im Ring möglich

39 Experiment Ergebnisse der Zeitmessungen:

40 Vergleich der Ergebnisse folgende Daten wurden von der Gruppe aus Brookhaven veröffentlicht:

41 Vergleich der Ergebnisse Quelle: The E821 Muon (g-2) Homepage

42 Experiment jedoch: der theoretische Wert weicht um mehr als zwei Standardabweichungen ab mögliche Ursachen? statistische Fluktuationen (Chance < 1%) Fehler beim Experiment Theorie ist noch nicht verstanden (hadr. Beitrag) Neue Physik (z. B. Supersymmetrie)

43 Zusammenfassung Fazit: Erklärung des g-Faktors Beiträge nach dem SM genauer Test von QED und QCD Sensivität zu größeren Massen Trick des magic g Homogenität von Genauigkeit durch Zeitmessung Abweichung zwischen Theorie und Experiment vielleicht neue Physik?


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