Schleching 2/2008 3.1 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Präzisions-Physik mit Neutronen 1.Neutronenquellen 2.Physik mit.

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2 Schleching 2/2008 3.1 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Präzisions-Physik mit Neutronen 1.Neutronenquellen 2.Physik mit Neutronen, allgemein 3.Neutronen-Experimente: jenseits SM 4.Theorie Standard Modell 5.Neutronen-Experimente: diesseits SM 6.Theorie n-Zerfall D. Dubbers U. Heidelberg

3 Schleching 2/2008 3.2 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM 1. Neutronenquellen 1.1 Reaktor Neutronenquellen 1.2 Spallations-Neutronenquellen 1.3 Ultrakalte Neutronen

4 Schleching 2/2008 3.3 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM 2. Physik mit Neutronen allgemein 2.1 Neutronen-Streuung 2.3 Angewandte Neutronenphysik

5 Schleching 2/2008 3.4 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Besonderheiten des Neutrons Neutronen: sehen besonders gut die leichten Atome (z.B. Wasserstoff-Brücken) sehen einzelne Isotope (Kontrastvariation) sehen Magnetismus (Spintronik) sehen Bewegungen der Moleküle, Spins, (auch sehr langsame) separat für alle Längenskalen (E n ~ Anregungsenergien des Festkörpers, λ n ~ Gitterkonstante des Festkörpers) sehen getrennt kohärente und inkohärente Prozesse (Paar- und Autokorrelations-Funktionen) machen wenig Vielfachstreuung sind meist sehr durchdringend

6 Schleching 2/2008 3.5 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM 3.Neutronen-Experimente jenseits des SM 3.1 Einführung 3.2 Einige Experimente

7 Schleching 2/2008 3.6 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM 3.1 Einführung … t History of the universe: a succession of phase transitions

8 Schleching 2/2008 3.7 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM The Standard Model of particle physics … small input: SYMMETRIESGauge principle: ψ'(x) = e iθ(x) ψ(x) ('principia')applied to U(1)×SU(2)×SU(3), (+ Lorentz x' = L·x, + CPT etc. invariances, …) rich output: INTERACTIONS basis for: → equations of motionMaxwell, technology, Schrödinger, chemistry, Dirac, molec. biology, … solar/nuclear power, → existence of photons, gluons, W ±, Z 0 (= carriers of interaction) → conservation of charges (= sources of interaction) → generation of masses …is very successful... ψ: ψ':

9 Schleching 2/2008 3.8 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM … but is only part of the picture: Unsolved problems: 3 particle families 12 masses→ 4 quark-phases + 4 lepton-phases gravitation and quantum mechanics baryon-asymmetry of universe→ mass-energy content of universe … Test all laws of physics with the highest possible precision (including energy conservation, Lorentz-, CPT-invariance, …). To be tested, laws must be well known: this is the case mostly in the electroweak and the gravitational sector.

10 Schleching 2/2008 3.9 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Particle physics at the lowest energies MxMx MxMx p

11 Schleching 2/2008 3.10 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Precision reached in low-energy work -in energy: δE < 10 ─23 eV = ± 0.000 000 000 000 000 000 000 01 eV reached in high-precision ultracold neutron and atom work -in momentum: δp/p < 10 ─11 : 1Å/10mp reached in state-of-the-art neutron optics δp -in mass: δm/m = ±10 ─11 reached in atomic mass spectrometry -in time:δt/t = ±10 ─16 reached with atomic clocks -in spin-polariz.: δP < 10 ─7 reached in polarized neutron work

12 Schleching 2/2008 3.11 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Low energy: mostly 1 st family quarks leptons 3 rd :btτν τ 2 nd :scμν μ 1 st :dueν e first family is: - abundant, - long-lived, - useful.

13 Schleching 2/2008 3.12 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM ↕ y ← L → E=60 kV/cm υ 3.2 Einige Experimente: 1. Why is charge quantized?

14 Schleching 2/2008 3.13 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Theory of charge quantization

15 Schleching 2/2008 3.14 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Big Bang theory:baryon density ~ 10 −18 photon density baryon density = antibaryon density Observation:baryon density ~ 10 −9 photon density baryon density >> antibaryon density possible explanation: Violation of 'CP-symmetry' Experimentum crucis: Electric Dipole Moment d n of the neutron: if 'CP' explanation is right: d n = 10 −27  1 e cm = value required to explain our existence if 'CP' explanation is wrong: d n = 10 −32  1 e cm = value predicted by the Standard Model Meas.time t from uncertainty rel. N Δφ ~ 1 with Δφ = ω Bohr t = d n ·E/ħ t, i.e. error ΔN Δφ = N ½ Δω Bohr t = (ρ UCN V) ½ Δd n E t ~ 1 ~ 1 Bohr-period/year ~ 10 −23 eV 2. Why has so much matter survived the Big Bang? 60 years of instrument development M.v.d. Grinten, K. Jungmann, Sa vorm., S. Paul, Di abend

16 Schleching 2/2008 3.15 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM 3. Are there extra spatial dimensions?

17 Schleching 2/2008 3.16 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Neutron quantization in the earth's gravitational field Ultracold neutrons (UCNs) probe Newton's law in the μ-meter and the pico-eV range, set limits on such extra forces. 0 1.4 2.5 3.3 4.1 peV 40 μm 30 μm 20 μm 10 μm 0

18 Schleching 2/2008 3.17 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM UCN gravitational levels Neutron density above the mirror measured with a position-sensitive detector with spatial resolution of 1.5 μm Measurement of neutron transmission as a function of the height of the absorber above the neutron mirror.

19 Schleching 2/2008 3.18 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Experimental limits on non-Newtonian gravity current experimental limits: neutron AFM Casimir atomic Casimir Difficulties of AFM: Electrostatics, geometry, roughness, lateral Casimir force, theory Ph. Schmidt-Wellenburg, Sa Vorm.; Schleching 2006

20 Schleching 2/2008 3.19 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Neutrinos oscillate:ν e ↔ ν μ, etc. Δm: Lepton number oscillations L e ↔ L μ, etc. 0.05 eV Kaons oscillate: K ↔ K' Strangeness oscillations S ↔  S 10 −18 eV Do neutrons oscillate? n ↔ nbar Baryon-number oscillations B ↔  B ? Neutron oscillations allowed in various Grand-Unified Theories 4. Neutron oscillations a) Is baryon number conserved?

21 Schleching 2/2008 3.20 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM The antineutron detector 'Appearence experiment': Experimental limit τ n nbar > 0.86·10 8 s (90% c.l.)  m·c 2 = < 10 −23 eV probes 10 5 GeV range (model dependent) Heidelberg-ILL-Padova-Pavia collaboration (M. Baldo-Ceolin et al., 1994) The magnetically shielded beam < 5 nT The ILL neutron oscillation experiment

22 Schleching 2/2008 3.21 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM b) Is Dark Matter from a mirror world? Is there a sterile mirror world? Mohapatra, 2005: n ↔ n mirror can neutrons spontaneously disappear into sterile, i.e. unobservable mirror neutrons? Search for neutron − mirror-neutron oscillations Experiment: U. Schmidt, spring 2007: using zero-field spin-echo apparatus at FRM2, and ultrafast 'CASCADE' n-detector 'disappearence experiment' - experimental limit: N B>0 /N B=0 = 1.00002(3) → τ n-nmirror > 2.7 s (90% c.l.) September 2007: New limit from ILL, Serebrov et al.: τ n-nmirror > 400 s (90% c.l.) K. Kirch, Mo Abend?

23 Schleching 2/2008 3.22 Präzisionsphysik mit Neutronen/3. n- Experimente jenseits des SM Summary: low-energy neutron physics beyond S.M. Why is charge quantized? (q n ) Why is so much matter and so little antimatter in the universe? (EDM) Are there hidden dimensions of space-time? (n-free fall) Can matter oscillate into antimatter? (n-nbar) Is there a sterile mirror world? (n-nmirror) … (Paul Di Abend)