Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik Protonzerfall Stephan Kreppner Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik 03.02.03

Übersicht 1. Einleitung 2. Theorie 3. Zerfallsgesetz 4. Experimente  Aufbau  Analyse  Resultate 03.02.03

1. 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 03.02.03

2. Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Fünf Wechselwirkungen: Elektrische WW Magnetische WW Schwache WW (radioaktiver Zerfall) Starke WW (Anziehung der Nukleonen) Gravitation 03.02.03

2. 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 03.02.03

2. 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 ... 03.02.03

2. 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 03.02.03

2. 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 W– e– e 03.02.03

2. Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Weinbergwinkel: 4 Austauschbosonen der schwachen WW: W+, W-, W0 und B0 1 Austauschboson der elektromagnetischen WW:  W0 und B0 aber nicht beobachtbar:  Weinbergwinkel ist im Standardmodell ein freier Parameter, der nur gemessen werden kann. sin2W = 0,23124  0,00024 03.02.03

2. 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 (sin2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 03.02.03

2. Theorie Warum überhaupt Protonzerfall? Protonzerfall: z.B. p  e+ + 0 (Verzweigunsverhältnis ca. 45%) Lebensdauer des Protons: p   4,5 · 1030 a mit MX = 5 · 1014 GeV (Masse des X-Bosons) u d e+ X 0 1 u d e+ Y 0 03.02.03

3. Zerfallsgesetz Zerfall: N = N0  p = t = t = t Zerfallsbreite:  = = t: Meßzeit N0: anfängliche Anzahl dN: zerfallene Anzahl : Detektoreffizienz 03.02.03

4. 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 · 1029 p) Fréjus (Fréjus Tunnel, Grenze Frankreich - Italien): 500 t Fe Wasser-Čerenkov-Detektor IMB („Irvine Michigan Brookhaven“, Cleveland, Ohio): 3,3 kt H2O HPW (Park City, Utah): 560 t H2O (1,0 · 1031 p) Superkamiokande (Kamioka, Japan): 32,5 kt H2O 03.02.03

4. Experimente Fréjus 03.02.03

4. Experimente Fréjus Gesamtmasse: 900 t Detektor: Blitzkammer mit 70% Ne und 30% He (funktioniert wie ein Geiger-Zähler) und Geiger-Zählern 03.02.03

Protonzerfall in 500 t Fe (3 mm dünne Platten) 4. Experimente Fréjus Protonzerfall in 500 t Fe (3 mm dünne Platten) 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Innerer Detektor Äußerer Detektor Gebaut für die Detektion von atmosphärischen -Oszillationen 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Blick in den Detektor 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Bilder der zerstörten Photomultiplier vom 17. November 2001 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Analyse: 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Monte Carlo Simulation mit sehr langer Beobachtungszeit zum Test der Analysemethoden. 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Atmosphärische Neutrinos Analyse der MC Simulationen für p  e+ + 0 und atm. Neutrinos 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Analyse der Messungen für p  e+ + 0 und p  + + 0 03.02.03

4. Experimente Superkamiokande Messungen für p  e+ + 0 und p  + + 0: Masse des Detektors: 32,5 kt ( 6,0 · 1032 Protonen) Meßzeit: 784,9 Tage Meßergebnisse: p  e+ + 0: 2,59 · 1033 a p  + + 0: 2,07 · 1033 a (confidence limit jeweils 90%) 03.02.03

4. Experimente Ergebnisse für p  e+ + 0 Tracking-Kalorimeter-Detektor Soudan: 1,3 · 1030 a KGF: 5,8 · 1030 a Nusex: 1,5 · 1031 a Fréjus: 7 · 1031 a Wasser-Čerenkov-Detektor IMB: 5,4 · 1032 a HPW: 1,3 · 1030 a Superkamiokande: 2,59 · 1033 a 03.02.03

4. Experimente Übersicht über die Ergebnisentwicklung von p  e+ + 0 Fréjus IMB KGF Nusex Soudan (Super-)Kamiokande 03.02.03

Übersicht über alle Zerfallskanäle 03.02.03

Literatur Josef Honerkamp: Von fundamentalen Wechselwirkungen und vereinheit-lichten Theorien, Vortrag anlässlich des Empfangs der Emeriti der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg am 05. Mai 1993 http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/, 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 03.02.03