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Teilchenphysik ohne Beschleuniger und Kosmologie 31.5.07 Sommersemester 2007

Teilchenphysik – ohne Beschleuniger und Kosmologie

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Teilchenphysik – ohne Beschleuniger und Kosmologie. 31.5.07 Sommersemester 2007. 2. CP-Verletzung. H.W. Wilschut. P. C. T. matter. anti-matter. time   t ime. mirror image. Time reversal violation can be measured at low energies. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Teilchenphysik  –  ohne Beschleuniger und Kosmologie

Teilchenphysik – ohne Beschleuniger

und Kosmologie

31.5.07Sommersemester 2007

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 2

2. CP-Verletzung

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 3

3. Symmetries and the World according to 3. Symmetries and the World according to

EscherEscher

mirror image time time

H.W. Wilschut

matter anti-matterstartidentical to start

anti-particle particle e+ e-

Time reversal violationcan be measured at low energies

P C T

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 4

BABAR 2001

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 5

3. Prinzip: CP-Verletzung

(P - known)P -+

elementary particle

+-

spin

EDM

+- T +

- (CP big deal)

CP ↔ T

S. Paul, TUMS. Paul, TUM

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 6

ILL: the EDM experiment

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 7

Final Sussex-RAL-ILL result

(C.A. Baker et al. PRL 97(2006) 131801)

| dn | < 2.9 x 10-26 ecm (90% CL)

use of 199Hg co-magnetometer

d(199Hg) < 8.7 × 10-28 ecm

50 pT

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 8

EDM: PSI

F overall = 100 ,1.1,3.1,2,40

)(

2

12

FFFF

EPNd

PEN

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 9

The PNPI experiment

•Polarize neutrons || B0 while filling the bottle

•Apply B(wt) B0 to get neutron spin to B0

•Wait for a time T (~100 s): spin precesses about B0

•Apply B(wt) to get neutron spin || to B0; if w wL = (w - wL )T

•Analyze polarization: P = P0 cos()

EDM

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 10

Improvements

• higher degree of polarization – triple polarizers: a = 0.75 • higher electric field E - new material (CERAN): E = 10 kV/cm • more neutrons N - FRM II + UCN source, more efficient neutron guides

• longer storage time T - better coating, better stability of B0: T 150 s

• Systematic errors: stable B0 (3fT!) - 3He magnetometer with SQIDs

(W. Heil, Mainz), better shielding, polarization and analysis

with the same arrangement

n( )2

dE T N

Mainly performed by the group at PNPI (V. Lobashev et al.):official collaboration agreement with TUM

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 11

Überblick zur die Sensitivität von Neutronexperimenten

EDM: Energy: E ~0.000 000 000 000 000 000 000 1eV = 10-22 eVn-Ladung: Impuls: p/p ~ 10-11 (Winkelauflösung von 1Å auf 10m)Feinstrukturkonstante / ~ 10-8 (Messung von: nvn)

Quark-Mischung Vud ~ 7 x 10-4

Lebensdauer / ~ 10-3

Gravitation und QM g/g ~ 10-2

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 12

EDM Strong CP problem

Axion als pseudoskalares Teilchen

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 13

Axion limits 2007PVLAS

UCN

other limits

Baeßler et al.Westphal, Baeßler, H.A.

arXiv:hep-ph/0703108

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 14

0%

50%

100%

'down' 'strange' 'bottom'

down strange bottom

2. Prinzip: Mischung der Quarks

-Zerfall: ~ GF2

n-Zerfall:~ 0.95. GF2 = cos2C

. GF2

K-Zerfall: :~ 0.05. GF2 = sin2C

. GF2

ud us ub

cd cs cb

td ts tb

V V VV V VV V V

d d

s s

b b

|Vud|2 + |Vus|

2 + |Vub|2 = 1-|Vud|

2 + |Vus|2 + |Vub|

2 = 1-

Quarkmischung ist Rotation im Flavour-Raum (Null-Summe)CKM-Matrix ist unitär!

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 15

Unitarity Check: The Quark Mixing CKM MatrixUnitarity Check: The Quark Mixing CKM Matrix

Parametrization: 3 angles, and a phase

A, , are real

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 16

Unitarity Check II:

PDG: = 59° 13°, = 24° 4°PDG: = 59° 13°, = 24° 4°

VVVVVVVVV

tbtstd

cbcscd

ubusud

U CKM

VVVVVVVVV

tbtstd

cbcscd

ubusud

U CKM

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 17

Unitarity Check II

dsf

Vud= 1 - 2/2

From A. Buras, Munich

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 18

Unitarity check

Mixing of quarks = rotation in flavor-space:

Test in first row: |Vud|2 + |Vus|2 + |Vub|2

≈ cos2θ + sin2θ + 0 < 1 ?

: Cabibbo

95%

5%0.00001%Vub

Vus

Vud

VVVVVVVVV

tbtstd

cbcscd

ubusud

U CKM

VVVVVVVVV

tbtstd

cbcscd

ubusud

U CKM

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 19

Situation 1995 - 2004

+ +

Neutron -Zerfall

0 0 Kern -Zerfall

Pion -Zerfall

0.0

0.9717(13)

0.9738(4)

0.9728(

040 0.

3 )

001

0

2

ud

ud

ud

V

V

V

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 20

The PDG feels it has the right to redefine anything it wantsThe PDG feels it has the right to redefine anything it wants

Is there a general decline of standards?Is there a general decline of standards?

1994:The “centimeters” on the ruler on p. 227 of the booklet are 0.97 cm long, because:

a) The booklet were returned from the printer at 0.25 times the speed of light

a) A theorist is in charge of the PDGb) The PDG feels it has the right to redefine anything it wantsc) There is a general decline of standardsd) There was an international conspiracye) It was a congressionally mandated cost-saving measuref) PDG gives you more cm/inch than anyone else

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 21

Vus

Kaon semileptonic decays- K+0l+l

- K0L-l+l sul+l

= (2.12±0.08%), = -2.0% for K+ and 0.5% for K0

)1)(1()0(π192

2

125

3

2

RkusF IfCmVG

)1)(1()0(π192

2

125

3

2

RkusF IfCmVG

I+ = 0.1605 ± 0.0009, I0 = 0.1561 ± 0.0008 = (2.56 ± 0.033)10-15 MeV, =(4.937 ± 0.053)10-15 MeV f(0) = 0.961 ± 0.008, f(0) = 0.963 ± 0.004 Vus = 0.2196 ± 0.0017exp ±

0.0018th = 0.2196 ± 0.0026 (PDG 2002)

Vus = 0.2196 ± 0.0017exp ± 0.0018th = 0.2196 ± 0.0026 (PDG 2002)

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Some news in 2005: Vus

bb

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CKM unitarity summary

Phase of consolidationAchievements:- New K results

- New A result

- Halving of the theoretical error in radiative corrections

Continue to measure lifetime and correlation coefficients until limited by theoryLifetimeFormfactors

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 24

NeutronlebensdauerMethode: UCN in FlaschenPräzision / ~ 10-3

0 exp( ( ))N tt

N t

1 11l ssn o

TUM

~ 99.99 % elastische Reflexion~ 0.01% inelastische Reflexion

in meV-Bereich ~ 0.001% Absorption

885.7 ± 0.7 sec 885.7 ± 0.7 sec 878.5 ± 0.8 sec 878.5 ± 0.8 sec

TUM: magnetische Speicherung: keine VerlusteTUM: magnetische Speicherung: keine Verluste

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 25

2 values878.5 ± 0.8 sec Serebrov et al.885.7 ± 0.7 sec PDG 2005

= 2 x 10= 2 x 10-6-6

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005865

870

875

880

885

890

895

900

neu

tro

n li

fetim

e v

alu

es

[s]

year

cold beam UCN

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 26

Neutrons and Big Bang Nucleo Synthesis

Problem 1s after Big Bang:- What does a gas of n and p, when

the universe expands and the temperature drops?

Inputs:- neutron lifetime

- Cross sections

- neutrino cross-sections 1/

- nuclear physics 0.1 – 1 MeV (measured!)

Outputs: H, D, He, Li- number of particle families N

- density of (ordinary) matter in universe

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Hartmut Abele, University of Heidelberg 27

In more detail

Weak reaction rate n + e+ p + e n + e p + e

Hubble expansion rateEquating gives freeze out temp.Free neutron beta-decay

Neutron lifetimeNeutron lifetimePDG 2006PDG 2006

Serebrov et al.Serebrov et al.20052005

1 2 2 2~ (1 3 )ud F AgV G

astro-ph/0408523 v2

Yp= 0.2463(6)Yp= 0.2479(6)