MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS DES MYONS

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Imke Hofer
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1 MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS DES MYONS Christoph Schweiger 22. November

2 MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS DES NEGATIVEN MYONS a µ = a QED µ + a weak µ + a had µ a e ' a QED e a theo µ = (7.3) (0.62ppm) 2

3 GLIEDERUNG I. Myonen und magnetisches Moment II. Experiment E821 am Brookhaven National Laboratory (BNL) 1. Messprinzip, Aufbau und systematische Fehlerquellen 2. Ergebnisse und Folgerungen 3. Zukünftige Messungen 3

4 MYONEN Masse: m µ = MeV c 2 ) m µ ' 207 m e Lebensdauer: µ =2.2µs µ! e + µ + e Zerfall über schwache WW 4

5 MYON - ZERFALL µ! e + µ + µ Paritätssymmetrie bei Zerfall über schwache WW nicht erhalten Folge: Nur linkshändige Neutrinos (Helizität -1), d.h. Spinrichtung antiparallel zur Flugrichtung Spinrichtung und Flugrichtung des Zerfallselektrons antiparallel 5

6 MAGNETISCHES MOMENT DES MYONS magnetisches Moment durch Spin: ~µ µ = ~µ s = g µ e 2m µ ~s Dirac-Theorie: g e = g µ =2 heute: Korrekturen des g-faktors der Dirac-Theorie: g µ = (12) Anomales magentisches Moment: g µ = 2(1 + a µ ) ) a µ = (g µ 2) 2 6

7 THEORETISCHE BEITRÄGE Theoretische Beiträge: a. QED und elektroschwache Wechselwirkung (QED+EW) b. Hadronische Vakuumpolarisation (HVP) und Licht-Licht-Streuung (HLbL) Motivation: a theo µ = (42) HV P (26) HLbL (2) QED+EW (49) tot a. Präzisionstest des Standardmodells sowie der QED für höhere q 2 2 mµ b. virtuelle, an µ koppelnde Felder ' z.b. SUSY,... m e 7

8 GLIEDERUNG I. Myonen und magnetisches Moment II. Experiment E821 am Brookhaven National Laboratory (BNL) 1. Messprinzip, Aufbau und systematische Fehlerquellen 2. Ergebnisse und Folgerungen 3. Zukünftige Messungen 8

9 EXPERIMENT BNL E821 9

10 SPEICHERRING 14 m 10

11 MESSPRINZIP - MYON IM MAGNETFELD ~! s ~B Magnetfeld ~µ µ ~F z = ~ F L ~v q~v ~ B = m~v2 r ~! s = g µ q 2m ~ B ) ~! c = q ~ B m 11

12 MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION Vergleich von Larmor- und Zyklotronfrequenz: ~! s = g µ q 2m ~ B ~! c = q ~ B m Spinpräzessionsfrequenz größer als Zyklotronfrequenz, da g µ > 2 ~! a ~! s ~! c ~! a = a µ q ~ B m Anomale Präzessionsfrequenz 12

13 MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION Polarisierte Myonen Spinpräzession schneller als Umlauffrequenz Homogenes Präzisionsmagentfeld Zerfall des Myons: Elektron wird entgegen der Spinrichtung emittiert Spinrichtung rekonstruierbar 13

14 MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION Impulsrichtung Impulsrichtung 1. Umlauf nach mehreren Umläufen ~B f c =6.71MHz f s =6.94MHz f a =0.23MHz 14

15 ANOMALE PRÄZESSION 15

16 SPEICHERRING 16

17 D6 POLARISIERTE MYONEN U V line AGS Alternating Gradient Synchrotron ca. 250 m Durchmesser Protonen mit 24 GeV VD3 VD4 V line Pion Production Target U line Q2 Q1 D1,D2 D3,D4 ca. 80 m Pion Decay Channel D5 K3 K4 K1 K2 Beam Stop Inflector g 2 Ring 17

Myon und Antineutrino Antineutrino immer

18 POLARISIERTE MYONEN Pionzerfall über schwache WW Impulserhaltung: Entgegengesetzte Richtung von Myon und Antineutrino Antineutrino immer rechtshändig Auch Myon ist in Flugrichtung polarisiert! 18

19 PRÄZISIONSMAGNETFELD 360 mm Through bolt Iron yoke Upper push rod slot Outer coil 1570 mm Spacer Plates Shim plate B = 1.45 T Inner upper coil Muon beam Poles Inner lower coil To ring center 544 mm 1394 mm 19

20 MESSUNG DES MAGNETFELDS Magnetfeldmessung mit Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Magnetfeld B = T bei einer Messgenauigkeit von bis zu 1 ppm 20

21 SPEICHERRING 21

22 INFLECTOR & KICKERMAGNET Inflector Inflector: Hebt das Speicherringmagnetfeld auf Kicker: Lenk Myonen auf gewünschte Umlaufbahn Kicker Zyklotronperiodendauer: c = 149ns Kickerpuls: k = 400ns 22

23 QUADRUPOLFELD vertikale Fokussierung +24 kv relativistische Myonen: Wirkt wie Magnetfeld -24 kv Trolley rail L = 29.3 p µ =3.094 GeV c µ 0 = L µ = 64.4µs ~! a = e mc +24 kv applea µ B ~ 1 a µ 2 L 1 ~ ~ E -24 kv 23

24 NACHWEIS DER ELEKTRONEN 24 Kalorimeter Messung der Elektronenergie und Detektionszeit Elektronen mit Energie größer 1.8 GeV wichtig: Pulstrennung 24

25 NACHWEIS DER ZERFALLSELEKTRONEN Anzahl hochenerget. Elektronen oszilliert mit anomaler Präzessionsfrequenz! a wird durch Fit bestimmt: N(t) =N 0 exp t L [1 + A sin (! a t + a )] 25

26 SYSTEMATISCHE FEHLER Systematischer Fehler von! a a. Pileup 0.13 ppm Systematischer Fehler von ~B! a [ppm] ~ B [ppm] a. Multipole, Kicker, Trolleytemperatur 0.10 ppm b. Kalibration der NMR Proben im Trolley 0.09 ppm 26

27 ERGEBNISSE a exp µ = (6.3) (0.54ppm) a theo µ = (7.3) (0.62ppm) Abweichung: 2.5 bis 3.5 Standardabweichungen 27

28 ZUKÜNFTIGE MESSUNGEN neues Experiment E989 am Fermilab Start ab 2016 mit den Zielen: a. Minimierung der systematischen Fehler b. Bessere Statistik Wiederverwendung des Myonspeicherrings: Transport zum Fermilab 28

29 QUELLEN Phys. Rev. Lett. 73, (2006) Phys. Rev. Lett. 92, (2004) Annual Review Nucl. Part. Sci. 2012, 62: Berger, Christoph: Elementarteilchenphysik, zweite Auflage, Springer (Particle Data Group) wikipedia: Myon, Paritätsverletzung, Kernspinresonanz 29

30 RELATIVISTISCHE RECHNUNG ~! s = g µq ~ B 2m (1 L) q ~ B Lm ~! c = q ~ B m L ~! a = g µ q ~ B 2m (1 L) q ~ B Lm + q ~ B Lm q B = g ~ µ 2m = q B ~ gµ m 2 q B = a ~ µ m q B ~ Lm + q B ~ m + q B ~ Lm 1 30

31 MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION Laborsystem: ~v CMS Mehr hochenergetische Elektronen wenn Myonspin antiparallel zur Myonimpulsrichtung Die Anzahl der hochenergetischen Elektronen oszilliert mit der Zeit mit der anomalen Präzessionsfrequenz ~! a Energieschwelle des Detektors: 1.8 GeV 31

32 FOKUSSIERUNG MIT QUADRUPOLFELD 32

33 NMR - MAGNETFELDMESSUNG 33

34 INFLECTOR 34

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