Einführung

Hochpräzise Messungen von Observablen im Neutronen-Beta-Zerfall adressieren eine Reihe offener Fragen, die an vorderster Front der Teilchenphysik stehen [Abe08]. Schwerpunkte liegen auf der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells (SM) von Elementarteilchen und -feldern und insbesondere auf der Frage der Vereinigung aller Kräfte kurz nach dem Urknall. Diese große Vereinigung ist nicht Teil des SM, und es werden neue Symmetriekonzepte wie Links-Rechts-Symmetrie, fundamentale Fermion-Zusammensetzung, neue Teilchen, Leptoquarks, Supersymmetrie (SUSY), Supergravitation und viele mehr benötigt.

Auf der Suche nach neuen Symmetrien sehen wir Präzisionsmessungen im Beta-Zerfall von Neutronen als die nächste Hochpräzisionsgrenze im Bereich der Niederenergiestudien. Diese Experimente passen in ein größeres Feld von Präzisionsmessungen, die kalte oder ultrakalte Neutronen, kalte oder ultrakalte Ionen oder Atome, Protonen, Elektronen und ihre Antiteilchen umfassen. Eine zweite Grenze im Bereich der Hochenergiephysik ist sicherlich der Large Hadron Collider (LHC). Niederenergie-Experimente ermöglichen es, diese Fragen komplementär zu LHC-basierten Experimenten zu untersuchen oder stellen sogar einen einzigartigen Weg dar.

Mit der neuen Anlage PERC [Dub08] werden mehrere Symmetrietests auf Basis von Neutronendaten konkurrenzfähig [Kon11]. Interessant sind Symmetriebeiträge zu Neutronen-Beta-Zerfallsparametern, die in der SM verboten sind, aber in SUSY auftauchen, weil die natürliche Energieskala von SUSY nicht weit von der Energieskala des W-Austauschs in schwacher Wechselwirkung entfernt ist.

Observable beim Zerfall freier Neutronen sind reichlich vorhanden: Neben der Neutronenlebensdauer Ï„n werden Winkelkorrelationen, die den Neutronenspin sowie Impulse und Spins der emittierten Teilchen betreffen, durch individuelle Koeffizienten charakterisiert, die mit den zugrunde liegenden Kopplungsstärken der schwachen in Beziehung gesetzt werden können Interaktion, einschließlich noch unbeobachteter. Beispiele sind der Neutrino-Elektronen-Korrelationskoeffizient a, der Beta-Asymmetrie-Parameter A, der Neutrino-Asymmetrie-Parameter B (rekonstruiert aus Protonen- und Elektronenmomenten), der Protonen-Asymmetrie-Parameter C, der dreifache Korrelationskoeffizient D, der Fierz-Interferenzterm b und verschiedene Korrelationen Koeffizienten, die den Elektronenspin betreffen. Jeder Koeffizient bezieht sich wiederum auf eine zugrunde liegende gebrochene Symmetrie.

Bei PERC konzentrieren wir uns auf die folgenden Präzisionstests des SM und suchen nach Physik jenseits des SM:

  • Eine verbesserte Bestimmung von SM-Parametern. Mit einem neuen und präziseren Wert des Verhältnisses λ der axialen zur vektoriellen Kopplungskonstante decken wir die Nachfrage aus der Teilchenphysik, der Astroteilchenphysik, wo ein besserer Wert für diese Größe für Berechnungen der Nukleosynthese nach der benötigt wird Urknall, die Energiegewinnung in der Sonne, die Entstehung von Neutronensternen und die Kalibrierung von Neutrino- und LHC-Detektoren. Ein neuer Wert für das Matrixelement Vud der ersten Generation gibt einen besseren Einblick in das Mischen von Quarks.
  • Eine Suche nach rechtshändigen Beimischungen zum linkshändigen Merkmal des SM. Als natürliche Folge des Symmetriebruchs im frühen Universum sollten sie im Neutronen-Beta-Zerfall gefunden werden. Signaturen sind eine WR-Masse mit Mischungswinkel ζ.
  • Eine Suche nach Skalar- und Tensorbeimischungen gS und gT zur elektroschwachen Wechselwirkung. gS und gT sind in der SM ebenfalls verboten, aber SUSY-Beiträge zu den Korrelationskoeffizienten können sich dem 10âˆ'3-Niveau annähern, ein Faktor von fünf von der aktuellen Empfindlichkeitsgrenze entfernt [Sch07].
  • Eine erste Suche im Neutronen-Beta-Zerfall nach dem Fierz-Interferenzterm b, der im SM verboten ist, sich aber aus SUSY-Beiträgen dem 10âˆ'3-Niveau nähern kann.
  • Eine erste Messung des Formfaktors f2 für schwachen Magnetismus, Vorhersage der elektroschwachen Theorie. Ein solches Experiment wäre eine der seltenen Gelegenheiten, bei denen ein starker Test der zugrunde liegenden Struktur des SM selbst verfügbar wird.
Neutron beta decay at the quark level

© Atominstitut

Neutron beta decay at the quark level

Verweise

[Abe08] H. Abele, Prog. Part. Nucl. Phys., 60, 1 (2008).
[Dub08] D. Dubbers at al., Nucl. Instrum. Meth. A 596, 238 (2008), for an extended version, see arXiv:0709.4440.
[Kon11] G. Konrad et al., in World Scientific ISBN 978-981-4340-85-4, 660 (2011) and arXiv: 1007.3027v2 (2010).
[Sch07] M. Schumann et al., Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. Lett. 99, 191803 (2007).