Das Goldhaber Experiment
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- Oskar Kalb
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1 ν e Das Goldhaber Experiment durchgeführt von : Maurice Goldhaber, Lee Grodzins und Andrew William Sunyar Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 1
2 Gliederung Motivation Physikalische Grundlagen Experiment Durchführung Zusammenfassung Quellen Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 2
3 Paritätsverletzung Bei schwacher Wechselwirkung nicht erhalten Parität in QM = Rotationssymmetrie des Wellenfunktion Pψ r = ±ψ r Erklärung: Schwache Wechselwirkung koppelt nur an linkshändige Teilchen und rechthändige Antiteilchen Goldhaber Experiment Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Motivation 3
4 Helizität Definition: h= S P S P (= ±1) P S h= +1 h= -1 Projektion Spin auf Impulsrichtung Nur für masselose Teilchen eindeutig definiert Massive Teilchen: Helizität hängt von Bezugssystem ab P P Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Physikalische Grundlagen 4 v
5 K-Einfang K-Einfang e + p υ e + n vor allem bei schweren Kernen e zu 90% aus K-Schale, da größte Aufenthaltswahrscheinlichkeit im Kern γ Strahlung durch e - Kaskade aus höheren Energieniveaus γ-photon Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Physikalische Grundlagen 5
6 Idee Bestimmung der Neutrinohelizität aus: 152 Eu + e 152 Sm + νe 152Sm + ν e + γ K-einfang: e + p υ e + n Abb. 1, Quelle (7): Ausschnitt aus dem Zerfallsschema von 152 Eu Spin- und Impulsbetrachtung: Messung der Helizität des Photons! Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 6
7 Aufbau ν e Polarisations- Filter 152Eu Quelle Pb Detektor Energie- und Richtungsfilter B-Feld Abschirmung Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 7
8 Resonante Streuung Theoretisch: γ wird von Atom absorbiert und wieder spontan emittiert γ-energie entspricht Energiedifferenz Resonante Streuung Aber: Verletzung der Energieimpulserhaltung findet in der Natur nur selten statt (Rückstoßenergien) Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 8
9 Hier: Verletzung der Energieerhaltung wird über Dopplereffekt umgangen Eu + e Sm + νe Sm + ν e + γ ν e P Sm γ-photon Quelle 152 Sm Absorber 152 Sm Strahlungsquelle bewegt sich auf Absorber zu Rückstoßimpuls durch Neutrino führt zu Impuls in Richtung γ-emission! Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 9
10 Impulsbilanz Eu + e Sm + νe Sm + ν e + γ p R(υ) = p ν, aber: natürliche Linienbreite ist nur: Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 10
11 Energie Photon Energie zur resonanten Streuung Linienbreite Energie Übergang E exc -3.2eV E exc +3.12eV E exc +3.2eV Abb. 2, Quelle (7) : Schematische Darstellung des Emissionsspektrums und der 152 Absorptionslinie des 961keV Übergangs in Sm Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 11
12 Resonante Streuung kann stattfinden Aber: ν e -Emissionsrichtung nicht genau entgegengesetzt zur γ- Emissionsrichtung P ν P ν = - P γ P γ γ-energie wird kleiner; weniger Überlappung Resonanz-Fluoreszenz ist empfindlicher Detektor für Richtung ν e -Emission Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 12
13 Aufbau ν e Polarisations- Filter 152Eu Quelle Pb Detektor Sm 2 O 3 - Streuer B-Feld Abschirmung Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 13
14 Drehimpulsbilanz Aus Drehimpulserhaltung folgt: I Eu +j e = I Sm +j ν =I Sm +j ν +j γ 152 Eu + e = Sm + ν e = Sm + ν e + γ m z 0 +1/2 +1-1/2 0-1/ /2-1 +1/2 0 +1/2-1 S γ S γ = - S ν S ν Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 14
15 Ergebnis P ν P ν = - P γ P γ S γ S γ = - S ν S ν Zwei Fälle: Neutrino Photon P S P S h(ν e ) = h(γ) Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 15
16 Rolle des B-Felds Fe-Magnet: Comptonstreuung der γ an ausgerichteten e Wirkungsquerschnitt ist abhängig von Polarisation Klein-Nishna-Wirkungsquerschnitt: dω= Raumwinkelelement k= 1 p ħ γ Wellenvektor γ-strahlung vor Streuung k = 1 p ħ γ Wellenvektor γ-strahlung nach Streuung P c (γ)= γ-polarisation k, k = Wellenzahlen θ= Comptonstreuwinkel σ= Polarisationswinkel der e f= Bruchteil der e, die polarisiert sind Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 16
17 Polarisationsmessung: B-Feld Umpolung im 3-min Rhythmus und Messung unterschiedlicher Zählraten γ, die Compton-Streuung vollführen Ablenkung und Energieverlust keine resonante Streuung mehr möglich Zirkularpolarisation: Schwächung der Zählrate verschieden dσ dω > dσ dω Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Experiment 17
18 Aufbau ν e Fe-Magnet 152Eu Quelle Pb NaI (Tl) Szintillator + Photmultip ler Sm 2 O 3 - Streuer Fe + Pb Abschirmung Mu-Metallabschirmung Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 18
19 Szinillationszähler Hier: anorganisch (NaI mit 0,1% Thallium dotiert) Strahlung erzeugt: Exzitonen, Elektron-Loch-Paare Rekombination in Telluratomen Strahlung im sichtbaren Bereich Abb. 3, Quelle (4): Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 19
20 Untergrund Bestimmung Untergrund ohne B-Feld mit und ohne resonantem Streuer Sm-Streuer: deutliche Peaks bei 840keV und 960 kev Abb. 4, Quelle (8) Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Durchführung 20
21 Ergebnis N N + gemessen: δ= = ± N +N + N = Zählrate B-Feld nach unten; N + = Zählrate B-Feld nach oben effektive Weglänge Photonen im Magneten ~(3 ±0.3) λ theoretischer Wert: δ= ± ± (100% pol. γ) nur (68±14)% Polarisation; negative Helizität 3 Druchgänge mit dünnerem Magneten (66±15)% Polarisation; negative Helizität Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 21
22 Zusammenfassung Korrekturen: Neutrino Energie; natürliche Linienbreite; Unsicherheit im Winkel zwischen ν e und γ Wu: exp. Bestätigung: Paritätsverletzung schwacher WW Goldhaber: negative Helizität Neutrino über Photonen: H(γ) = H(ν e ) bestätigt Deutung: Symmetriebruch; schwache WW koppelt nur an linkshändige Neutrinos bzw. rechtshändige Antineutrinos Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Zusammenfassung 22
23 Quellen: 1. ( ) 2. ( ) 3. ( ) 4. ( ) 5. ed=0cc0qfjac&url=http%3a%2f%2fwww.physi.uniheidelberg.de%2f~fschney%2fseminar.ss09%2fgoldhaber.pdf&ei=uns5 VOCRFcmuPJCwgbAG&usg=AFQjCNHcgciQxS7huJs5ZXWonOUL6EfH6g ( ) Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee Quellen 23
24 Quellen: 6. B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, W. Rodejohann: Teilchen und Kerne. Springer-Verlag Berlin, 2014 ( ) 7. E. Bodenstedt: Experimente der Kernphysik und ihre Deutung Teil 2. Wissenschaftsverlag Mannheim, 1979 ( ) 8. M. Goldhaber, L. Grodzins, A.W. Sunyar: Helicity of Neutrino. Physical Review 109 (1958) 1015 ( ) Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 24
25 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Goldhaber Experiment, Laura-Jo Klee 25
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