Hartmut Abele, University of Heidelberg 1

Standardmodell der Teilchenphysik

Input: Principia: - Eichprinzip angewandt auf U(1) x SU(2) x SU(3)

- Lorentzinvarianz: x‘ = Lx

- CPT, ...Invarianz

Output: - Wechselwirkungen

- Bewegungsgleichungen Maxwell, Schrödinger, Dirac- Existenz der Photonen, Gluonen, W±, Z0 (Träger der WW)- Erhaltung der Ladungen (Quelle der

WW)

Fazit: SM ist sehr erfolgreich- z.B. als Basis für Technologie, Chemie, Mol.biologie

D. Dubbers 2007

Hartmut Abele, University of Heidelberg 2

Hartmut Abele, University of Heidelberg 3

D. Dubbers 2007

... jedoch unvollständig!

ungelöste Probleme (DPG 2007):- 3 Teilchenfamilien (#1)

- 12 Massen (#2)

- 4 Phasen der Quarkmischung (#1)

- 4 Phasen Leptonmischung

- Paritätsverletzung (#1)

- Gravitation (#2)

- CP-Verletzung und die Baryon-Asymmetrie des Universums (#2)

- Massen- und Energiedichte des Universums (#1,2)

Frage: gibt es eine universelle Lösung zu allen verbleibenden Frage?Falls ja, dann findet diese Vereinheitlichung voraussichtlich bei extrem hohen Energien statt!

Theorie: Antibaryon-Dichte = Baryon-Dichte ~ 10-18 Photon Dichte

Messung: Antibaryon-Dichte << Baryon-Dichte ~ 10-9 Photon Dichte (Neutron größter Einzelfehler)

mögliche Erklärung: Verletzung der 'CP-Symmetrie‘ (#3)

Info aus BBN + n bzw.WMAP

Hartmut Abele, University of Heidelberg 4

Antwort: Präzisionsmessungen bei niederen Energien

Unbekannter Prozess bei unerreichbar hoher Energie, z.B. M ~ 105...19GeV

- hat einen Propagator,

- der vom Arbeitsbereich z.B. 1 neV bzw. 103GeV unabhängig ist

- und klein ist:

benötigt wird: Hohe Präzision, die bei niederen Energien am größten ist

2 2 2

1 1p M M

Hartmut Abele, University of Heidelberg 5

= 1/137

100 GeV, LEP-energy at CERN

= 1/128

Hartmut Abele, University of Heidelberg 6

GUTMPL

MnPL

quantum gravity

= 1/137

100 GeV, LEP-energy at CERN

= 1/128

Hartmut Abele, University of Heidelberg 7

Standardmodell der Teilchenphysik

Input: Principia: - Eichprinzip angewandt auf U(1) x SU(2) x SU(3)

- Lorentzinvarianz: x‘ = Lx

- CPT, ...Invarianz

Output: - Wechselwirkungen

- Bewegungsgleichungen Maxwell, Schrödinger, Dirac- Existenz der Photonen, Gluonen, W±, Z0 (Träger der WW)- Erhaltung der Ladungen (Quelle der

WW)

Fazit: SM ist sehr erfolgreich- z.B. als Basis für Technologie, Chemie, Mol.biologie

D. Dubbers 2007

Hartmut Abele, University of Heidelberg 8

Gamma Matrizen

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Drei Besonderheiten des Standardmodells

1. Paritätsverletzung

en p e

Neutron -Zerfall Lebensdauer ~ 15 min -Endpunktenergie: Emax = 782 keV

V-A Theorie: Vektorkopplung: gV = GF Vud

f1(q2→0)

Axialvektorkopplung: gA = GF Vud g1(q2→0)

Verhältnis = gA/ gV

Frage: V+A (WR, ), S, T?

Hartmut Abele, University of Heidelberg 10

Neutron Beta Decay2 2 2 2 2

03 7 3

1( ) (1 3 ) ( )

2 F udW pdp p E E dpG Vc

Electron

Neutron Spin

ElectronNeutron SpinA

W()={1+v/cPAcos()}

Detector

Detector

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Correlation measurements in -decay

Electron

Proton

Neutrino

Neutron SpinA

B

C Observables in neutron decay:

Lifetime SpinMomenta of decay particles

Observables in neutron decay:

Lifetime SpinMomenta of decay particles

n n p e p e eeaa

DD

RRNN

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Parameters and Observables

ParametersStrength: GF

Quark mixing: Vud

Ratio: = gA/gV

2 2 2 2 203 7 3

1( ) (1 3 ) ( )

2 F udW pdp p E E dpG Vc

5 41 2 2 2

3 7(1 3 )2

Re

ud F

f m cV G

h

2

( 1)2

1 3A

exp

N NA

N N

PfAAc

vexp

ObservablesLifetime Correlation ACorrelation BCorrelation CCorrelation aCorrelation DCorrelation RBeta SpectrumProton SpectrumPolarized SpectraBeta Helicity

Electron

Proton

Neutrino

Neutron Spin

A

B

C

5 41 2 2 2

3 7(1 3 )2ud

Re

F

fV

mG

ch

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Coefficient A

Coefficient A and lifetime determine Vud and

Electron

Neutron Spin

ElectronNeutron SpinA

W()={1+v/cPAcos()}

231

)1(2

A 231

)1(2

A

on flipper spin with spectrum electron

off flipper spin with spectrum electron

:N

:N

on flipper spin with spectrum electron

off flipper spin with spectrum electron

:N

:N

PfAAc

vexp PfAA

c

vexp

= gA/gV= gA/gV

No coincidences !

)31(

sec249082

2

udV )31(

sec249082

2

udV

2 2

0 0

(1 cos )sinv

N P dA dc

NN

NNAexp

NN

NNAexp A

N N

N Nexp

A

N N

N Nexp

Hartmut Abele, University of Heidelberg 14

For correlation coefficient A measurements…

Neutrons: 160 MioPolarizer: 99.75 %Spin Flipper: 100.05%Analyzer: 100 % 3He-cells

Spectrometer

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Neutron Production at the ILL

Hartmut Abele, University of Heidelberg 16

Technische Entwicklungen UHD

Neutrograph, Radio- und Tomographiestation

Hartmut Abele, University of Heidelberg 17

Technische Entwicklungen

FIRMENGRÜNDUNGEN:

2001 SDH Neutronenoptik H. Haese

2007 CASCADE große superschnelle n-DetektorenM. Klein et al.

Hartmut Abele, University of Heidelberg 18

Neutronenradiographie

Sendung Campus-TV, ab 23. März 2007

www.neutrograph.de

Hartmut Abele, University of Heidelberg 19

Common Rail Diesel InjectorCommon Rail Diesel Injector

time resolution of 100 µs• Integration of 52000 images per time step

• Pressure at the order of 350 bar

50 mm

10 mm

500 µs 800 µs700 µs600 µs

0.8 %

0%

0.4%

From M. Engelhardt, Diplomathesis, TUM

• Equipment supplied by • Robert Bosch GmbH, Stuttgart

Hartmut Abele, University of Heidelberg 20

Neutron Production

Hartmut Abele, University of Heidelberg 21

B. Maerkisch, D. Dubbers, H.A. et al.B. Maerkisch, D. Dubbers, H.A. et al.

Virtually no systematic errors - background

- edge effect

- mirror effect

PERKEO III20 October 2006 – 11 April 2007

to beamstop

Hartmut Abele, University of Heidelberg 22

PERKEO III

PERKEO III

Hartmut Abele, University of Heidelberg 23

Results PERKEO II(2006)

Spectra Dissertation D. Mund, 2006

Hartmut Abele, University of Heidelberg 24

Result for A

Dissertation D. Mund, 2006

exp

1 v

2 c

N NA

N N

PfA

exp

1 v

2 c

N NA

N N

PfA

2

( 1)2

1 3A

Hartmut Abele, University of Heidelberg 25

Beamrelated Background

Collimation system < 0.15 s-1

Det. 0

Det. 1

Fitregion

Electron-Spectrum

Beamline BG

Hartmut Abele, University of Heidelberg 26

Hartmut Abele, University of Heidelberg 27

Recommended value for lambda

= -1.27500.0009Calculate SM Lifetime = 882 ± 1.0 s- vs 885.7 ± 0.7 s PDG 2006

- vs 878.5 ± 0.7 s Serebrov et al.

2002: result: A = -0.1189(8) = -1.2739(19)2006: result: A = -0.11948(40) = -1.2754(11)

Hartmut Abele, University of Heidelberg 28

Collaboration PERKEO 1995 - 2007

ILL GrenobleJ. Last, U. Mayerhofer, O. Zimmer, V. Nesvizhevsky, T. Soldner, A. Petoukhov

Universität Heidelberg Stefan Baeßler, C. Raven, T. Müller, C. Metz, M. Astruc Hoffmann, Uta Peschke, Jürgen Reich, Bernhard Brand, Michael Kreuz, Ulrich Mayer Daniela Mund, Christian Plonka, Christian Vogel, Bastian Märkisch, Markus Brehm, Jochen Krempel, Marc Deissenroth, Marc Schumann, Alexander Kaplan, Daniel Wilkin, Dirk Dubbers, H.A.

U. MainzS. Baeßler

FZKF. Glück