Materieasymmetrie im Urknall. Alter < 10 6 s,kt > 100GeV: heißes Quark-Gluon-Plasma

Transkript

1 Materieasymmetrie im Urknall Alter < 10 6 s,kt > 100GeV: heißes Quark-Gluon-Plasma

2 Materieasymmetrie im Urknall Alter < 10 6 s,kt > 100GeV: heißes Quark-Gluon-Plasma Bildung einer Materie-Antimaterie-Asymmetrie: η = n b n γ 10 10

3 Materieasymmetrie im Urknall Alter < 10 6 s,kt > 100GeV: heißes Quark-Gluon-Plasma Bildung einer Materie-Antimaterie-Asymmetrie: η = n b n γ 10 10

4 Asymmetrie Materie Antimaterie Kosmische Hintergrundstrahlung Heutige Temperatur: (2.726 ± 0.002) Kelvin Photonendichte heute: n γ 400/cm 3

5 Asymmetrie Materie Antimaterie Kosmische Hintergrundstrahlung Heutige Temperatur: (2.726 ± 0.002) Kelvin Photonendichte heute: n γ 400/cm 3 Teilchenzahldichte heute: 1 Proton/m 3

6 Asymmetrie Materie Antimaterie Kosmische Hintergrundstrahlung Heutige Temperatur: (2.726 ± 0.002) Kelvin Photonendichte heute: n γ 400/cm 3 Teilchenzahldichte heute: 1 Proton/m 3 η = n b n γ 10 10

7 Asymmetrie Materie Antimaterie Kosmische Hintergrundstrahlung Heutige Temperatur: (2.726 ± 0.002) Kelvin Photonendichte heute: n γ 400/cm 3 Teilchenzahldichte heute: 1 Proton/m 3 η = n b n γ Quark-Antiquark Asymmetrie im heißen Plasma direkt nach dem Urknall würde ausreichen, um diese Asymmetrie zu erklären: q = q q q + q 10 10

8 Asymmetrie Materie Antimaterie Kosmische Hintergrundstrahlung Heutige Temperatur: (2.726 ± 0.002) Kelvin Photonendichte heute: n γ 400/cm 3 Teilchenzahldichte heute: 1 Proton/m 3 η = n b n γ Quark-Antiquark Asymmetrie im heißen Plasma direkt nach dem Urknall würde ausreichen, um diese Asymmetrie zu erklären: q = q q q + q 10 10

9 Asymmetrie Materie Antimaterie Sarachov-Theorem: Drei notwendige Bedingungen, um Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im frühen Universum zu generieren: Thermisches Ungleichgewicht Verletzung der Baryonenzahl um B CP-Verletzung

10 Asymmetrie Materie Antimaterie Sarachov-Theorem: Drei notwendige Bedingungen, um Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im frühen Universum zu generieren: Thermisches Ungleichgewicht Verletzung der Baryonenzahl um B CP-Verletzung CP-Verletzung (?) Mögliche Kandidaten: Permanente elektrische Dipolmomente der Elementarteilchen wie des Muons, des Elektrons oder des Neutrons.

11 Asymmetrie Materie Antimaterie Sarachov-Theorem: Drei notwendige Bedingungen, um Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie im frühen Universum zu generieren: Thermisches Ungleichgewicht Verletzung der Baryonenzahl um B CP-Verletzung CP-Verletzung (?) Mögliche Kandidaten: Permanente elektrische Dipolmomente der Elementarteilchen wie des Muons, des Elektrons oder des Neutrons.

12 CP-Verletzung und elektrisches Dipolmoment Auftreten eines permanenten EDM verletzt Invarianz unter CP bzw. T-Symmetrie.

13 CP-Verletzung und elektrisches Dipolmoment Auftreten eines permanenten EDM verletzt Invarianz unter CP bzw. T-Symmetrie.

14 CP-Verletzung und elektrisches Dipolmoment OILL Old ILL (Institut Laue Langevin)

15 Das RAL/Sussex nedm Experiment: OILL Speicherexperiment mit Raumtemperatur, im Vakuum Hg cohabiting Magnetometer

16 Messung des nedm Ramseys Resonanzemethode E B and E B δν = 4 E dn h

17 Messung des nedm Ramseys Resonanzemethode E B and E B δν = 4 E dn h

18 Messung des nedm Messung der Neutronenpolarisation Korrektur bzgl. B-Feld-Fluktuationen C. Baker et al. Phys. Rev. Lett. 97, (2006) d n < e cm

19 Messung des nedm Messung der Neutronenpolarisation Korrektur bzgl. B-Feld-Fluktuationen C. Baker et al. Phys. Rev. Lett. 97, (2006) d n < e cm

20 Messung des nedm: Statistik σ(d n ) = 2 α E T N Gespeicherte Neutronen N: Neue UCN-Quellen Neue UCN-Speicherkammer (N v 4/3 max)

21 Messung des nedm: Statistik σ(d n ) = 2 α E T N Gespeicherte Neutronen N: Neue UCN-Quellen Neue UCN-Speicherkammer (N v 4/3 max) Elektrisches Feld E: > 10kV/cm,,Visibility α: Verbesserung der Polarisation Längere Speicherzeit

22 Messung des nedm: Statistik σ(d n ) = 2 α E T N Gespeicherte Neutronen N: Neue UCN-Quellen Neue UCN-Speicherkammer (N v 4/3 max) Elektrisches Feld E: > 10kV/cm,,Visibility α: Verbesserung der Polarisation Längere Speicherzeit

23 Systematiken - Geometrische Phaseneffekte Teilchenbewegung im E-Feld B m = 1/c 2 ( v E) B eff = B B2 m B0

24 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer Sitall - Glaskeramik Kritische Geschwindigkeit: 4.9 m/s Elektrischer Widerstand > Ω cm Leckstrom < 1nA

25 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer

26 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer

27 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer Exponentieller Fit N det (t) = N 0 exp(t/τ storage ) N 0 = 2282 ± 64 τ storage 60s

28 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer Exponentieller Fit N det (t) = N 0 exp(t/τ storage ) N 0 = 2282 ± 64 τ storage 60s

29 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer Betrachtung der Verlustkanäle (Schlitze): Schlitz zwischen Grundplatte und Verschluss: 0.5 mm. Schlitzgröße A slit 2cm 2 τ slit = λ v A A slit 130s Neutronenzerfall: τ β = 887s

30 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer Betrachtung der Verlustkanäle (Schlitze): Schlitz zwischen Grundplatte und Verschluss: 0.5 mm. Schlitzgröße A slit 2cm 2 τ slit = λ v A A slit 130s Neutronenzerfall: τ β = 887s Speicherzeit der UCN im Volumen: τ life = ( ) 1 130s τ storage τ slit τ β

31 R&D Beispiel - Neue UCN-Speicherkammer Betrachtung der Verlustkanäle (Schlitze): Schlitz zwischen Grundplatte und Verschluss: 0.5 mm. Schlitzgröße A slit 2cm 2 τ slit = λ v A A slit 130s Neutronenzerfall: τ β = 887s Speicherzeit der UCN im Volumen: τ life = ( ) 1 130s τ storage τ slit τ β

32 Die elektrische Ladung des Neutrons Wie misst man eine (mögliche) elektrische Ladung des Neutrons? q n < q e

33 Die elektrische Ladung des Neutrons Wie misst man eine (mögliche) elektrische Ladung des Neutrons? q n < q e

34 q n - Das UCN-Ladungsexperiment Abbildung: Borisov et al., Zh. Tehk. Fiz q n = ( 4.3 ± 7.1) q e

35 q n - Das UCN-Ladungsexperiment Asymmetrie Zählrate Detektor 1 Detektor 2 Asymmetrie Position / [0.1mm] 4 5 Abbildung: Zählraten der Einzeldetektoren und Asymmetrie

36 q n - Das UCN-Ladungsexperiment Sensitivität des Experiments: ǫ = 2m n q e 1 E t 2 2N/τ ( ) 1 d N d x

37 q n - Das UCN-Ladungsexperiment

38 q n - Das UCN-Ladungsexperiment 3 5 UCN 2 4a/b

39 q n - Das UCN-Ladungsexperiment