Experiment zum Unterschied von ν μ und ν e

Leon M. Lederman Melvin Schwartz Jack Steinberger Experiment zum Unterschied von ν μ und ν e Patrick Czodrowski Betreuer: Dr. Lacker 03.01.2006

L.Lederman M.Schwartz J.Steinberger

Neutrino -Group Steinberger, Goulianos, Gaillard, Mistry, Danby, Hayes, Lederman, Schwartz

Gliederung 1. Historischer Abriss 2. Fragestellung 3. Das Experiment 4. Die Auswertung 5. Folgezeit

1. Historischer Abriss 1914: Entdeckung J.Chadwick ß-Zerfälle: kontinuierliche Energieverteilung der Elektronen Energieerhaltung? J.Chadwick

1. Historischer Abriss 1927: C.D.Ellis & W.A.Wooster durch Präzisions-Kalorimetrie: scheinbare Verletzung der Energieerhaltung bei ß-Zerfall! W.Pauli: unsichtbares d.h. nichtdetektierbares Teilchen, um die Drehimpulserhaltung zu garantieren

1. Historischer Abriss 1930: Vorschlag von W.Pauli (1933 publiz.): neutrales Spin ½-Teilchen mit kleiner Masse und Wechselwirkung 1932: Entdeckung Neutron (ebenfalls J.Chadwick) Neues Bild des Atomkerns

1. Historischer Abriss 1934: E.Fermi: Versuch einer Theorie der ß-Strahlen, die Theorie der schwachen WW mögliche Form des ß-Zerfalles: n p + e - + ν

1. Historischer Abriss 1956: F.Reines & G.Cowan am Savannah River H-Bomb tritium production plant : Beobachtung der Reaktion: ν + p n + e + (Antineutrinos aus Neutronenzerfällen) F.Reines G.Cowan

1. Historischer Abriss 1958: G.Feinberg: µ e + γ müsste mit BR(µ e + γ)/(µ e + ν + ν) = 10-4 existieren ν μ = ν e! Trotz intensiver Suche NICHT beobachtet! experimentell : BR(µ e + γ)/(µ e + ν + ν) 10-8 G.Feinberg

Notiz Idee Feinberg, ab 1960 Vertiefung durch Lee und Yang: BR (µ e + γ)/(µ e + ν + ν) = 10-4, wegen Verletzung der Unitarität (Wahrscheinlichkeit nicht mehr erhalten) durch die Fermi-Theorie (Punkttheorie WQ (Wirkungsquerschnitt) proportional zu S=Quadrat der Schwerpunktsenergie) bei Energien>300GeV Um Unitarität zu Erhalten: Eintreten einer Dämpfung des WQ vor diesen Energien, diese wäre verbunden mit räumlicher Ausbreitung Ströme und Ladungen elektro-magnetisches Feld Photon koppelt an e.-m. Feld Photon sichtbar!

Notiz Zu Feinberg: Ziel seiner Arbeit: Widerlegen der Existenz von Eichbosonen, Argumentation stimmt, wenn ν μ = ν e, wovon er ausging! Ebenso Möglichkeit: Existenz der Eichbosonen Verbunden mit ν μ ν e! unbekannte Dämpfung = schraffierte Fläche

1. Historischer Abriss Nebenbemerkung: heutiger Stand: BR (µ - e - + ν e + ν µ ) 100% BR (µ - e - + γ) < 1,2 10-11 (CL = 90%) unterdrückt im Standartmodell, da Leptonenfamilienzahl erhalten. Nur Neutrino-Oszillationen können diese verletzten, jedoch sehr klein im STM

2. Fragestellung 1959: B.Pontecorvo und M.Schwartz unabhängig: Vorschläge für Experimente zur Unterscheidung von ν μ = ν e und ν μ ν e M. Schwartz

2. Fragestellung ν μ - Fluss aus π - ν μ + µ - zur Untersuchung der Reaktionen: 1. ν μ + p µ + + n 2. ν μ + p e + + n

2. Fragestellung 1. 2.

Notiz Wegen (1/m) 4 des Energieverlustes in Materie verlieren Elektronen (200) 4 mehr Energie als Myonen in Materie Bremsgamma e + -e - - Paar.. Schauerbild für Elektronen in einer Funkenkammer

2. Fragestellung Sei ν μ = ν e dann vergleichbare Reaktionsraten von 1. und 2. Sei ν μ ν e kein Auftreten der 2. Reaktion M.Schwartz: Nutzen höherer Protonen- Energien am AGS (Brookhaven) oder PS (CERN) höhere ν-energien aus π-zefall

2. Fragestellung Der Nutzen höherer Neutrino-Energien: 1. σ (ν μ + p µ + + n) steigt linear, mit E π im Laborsystem, mit S im CoM-System 2. Intensität des Neutrinostrahles steigt quadratisch mit E π wegen höherem boost (ν μ aus π - -Zefall isotrop im Ruhesystem) 3. einfachere Detektion der Reaktionsprodukte

2. Fragestellung 1960 Paper von T.D.Leeund C.N.Yang: - Studie zu B.Pontecorvo s Reaktionen - Suche nach neutral currents - Möglichkeit der Existenz der Bosonen W +/-

3. Das Experiment Erste Idee: eine 30 Propan-Blasen- Kammer (bereits von Steinberger gebaut) Ende 1960: Planänderung zu Gunsten neu erfundener Funkenkammer (Spark- Chamber) Vorteile: da Detektor gleichzeitig Target viel höhere Masse als max. 200kg Propan möglich (hier 10 x 1 Tonne Detektor)

Notiz Wegen dem kleinen Wirkungsquerschnitt der Reaktion von Neutrinos mit Materie ist eine höhere Targetmasse nicht nur vorteilhaft, sondern unbedingt notwendig, damit die gesuchten Ereignisse nicht im Untergrundrauschen untergehen!

3. Das Experiment Durchführung am AGS (Alternating Gradient Synchrotron) Brookhaven National Laboratory nahezu zeitgleich Experiment am PS (Proton Synchrotron) CERN mit einer Blasenkammer maximale AGS - Protonenenergie 30 GeV genutzte Protonenenergie 15 GeV

Notiz Am CERN waren Ergebnisse früher zu erwarten d.h. Konkurrenz! (Zeitdruck für das AGS-Team, deshalb schlampige Art des Papers?) Jedoch CERN Versuch vorzeitig abgebrochen, da mit Blasenkammer zu wenig Ereignisse. Statt dessen ebenfalls Funkenkammer konstruiert und damit später die Ergebnisse des AGS-Teams bestätigt

3. Das Experiment Weitere Daten des AGS: 2-4 10 11 Protonen pro Puls 3000 Pulse pro Stunde insgesamt 3,48 10 17 Protonen genutzt 3,5 µs sensitive Messzeit pro Puls effektive Gesamtmesszeit 5,5s

3. Das Experiment 1 Protonen-Puls dauert 1,2 s alle 220 ns ein 20 ns breiter Protonenstrahl periodische 20-30 µs Ablenkung auf ein Be-Target 1 Pionen-Burst Länge: 20-30 µs 1 Pionen-Burst wegen Protonen- Pulsstruktur unterteilt: alle 220 ns ein 20 ns breiter Pionenstrahl

3. Das Experiment

Notiz 15 GeV Protonen auf Beryllium-Target Meist Pionen & Kaonen (p + Be π/k + x) 21m Luftweg, Zerfall (π/k µ + ν) Cherenkov - Trigger öffnet Gate (30 ns) 13,5m Stahl, Blockieren fast alle nicht Neutrino-Teilchen und µ s mit E<17 GeV Detektor

3. Das Experiment Der Detektor: Antikoinzidenzschaltung, gegen kosmische und Untergrundstrahlung

3. Das Experiment Detektor: 10 X 1-Tonne Module 1 Modul besteht aus: - 9 Aluminiumplatten (110X110X2,5)cm - 1cm Plexiglasrahmen zwischen Al-Platten - Triggering Slabs: 2 Szintillatorstreifen in Koinzidenzschaltung getrennt durch eine Al-Platte - Aufnahmegerät: Fotokameras

3. Das Experiment M.Schwartz vor der Funkenkammer

3. Das Experiment Vorbereitungen: Monte-Carlo- Berechnung des Energiespektrums der einfliegenden Neutrinos

Notiz hierzu musste der doppelt differentielle WQ von p + Be K / π bekannt sein BR (K + µ + + ν µ ) = 63,44 % BR (π + µ + + ν µ ) = 99,99 % m(k + ) = 493,677 MeV m(π + ) = 139,570 MeV Neutrino aus Kaon-Zerfall kriegt viel mehr Energie mit

3. Das Experiment Kalibrieren des Detektors: mit 400 MeV - Elektronen des COSMOTRON- Beschleunigers und mit Myonen aus 30 GeV-Protonen- Betrieb des AGS

4. Die Auswertung Untergrundmessungen: 1. ohne AGS, mit Antikoinzidenzschaltung Triggerevents: 10/h (zufällige Koinzidenz) 2. ohne AGS, ohne Antikoinzidenzschaltung Triggerevents: 80/s I mit AGS, Antikoinzidenzschaltung und 1m Schild entfernt (Neutronentest) II wie I, jedoch mit 1m Blei direkt hinter dem Be-Target (Neutrino- Abschaltung )

Notiz Das Entfernen von 1m Stahl hätte die Eventrate, falls Neutroneninduziert, auf ein hundertfaches erhöht! Dies war nicht der Fall!

4. Die Auswertung

Notiz Beachte! Nach halber Messzeit, Abschirmungsmaßnahmen für den Fußboden, da dieser Quelle für erheblichen Neutronenfluss im Detektor

4. Die Auswertung Event -Kriterien: Antikoinzidenztrigger aktiviert Entstehung des Events innerhalb des Detektors Funkenspur-Neutrinostrahl-Winkel < 60 nur 113 Events genügen diesen Kriterien

4. Die Auswertung Untergliederung dieser 113 Events: a) 49 kurze Einzelspuren: falls µ s dann p µ < 300 MeV/c (darunter auch µ s welche den Detektor verlassen) 19 aus 49 mit Spuren < 4 Al-Platten 16 dieser 19 in erster Hälfte gemessen Neutronenprodukte

Notiz Im Nachhinein waren einige Events dieser Kategorie wahrscheinlich neutral current - Events

4. Die Auswertung b) 34 Einzel- µ -Spuren mit p µ > 300 MeV/c c) 22 Vertex -Events mehr als eine Spur mit eindeutigem Ursprung im Detektor d) 8 Schauer-Events 6 davon mit relevanter Multiplizität 6 der 8 in erster Hälfte gemessen

4. Die Auswertung nur Einzel -Spuren + Vertex -Events = 56 sind relevante Events wobei 5 ± 1 Event aus kosmischer Strahlung kosmische Events, siehe auch Fig. 7 asymmetrische Winkelverteilung der Plots zueinander

4. Die Auswertung

4. Die Auswertung Einzel- µ -Spuren: sehr geringe WW mit Materie Annahmen über Art der Teilchen: 1) Pionen: hätten 8 x typ. freie Weglänge 2) Hadronen: hätten 4 x typ. freie Weglänge Es sind Myonen aus der Reaktion ν μ + p µ + + n

4. Die Auswertung Wo sind die Elektronen-Events? einzig mögliche Kandidaten für Elektronen 6 Events der Kategorie Schauer wegen gleicher Rate bei ν μ = ν e jedoch ungefähr 29 Elektronenschauer erwartet Vergleiche Anzahl von Funken der Schauerevents mit typischen Elektronenschauern des Cosmotron-Laufes

4. Die Auswertung

4. Die Auswertung 1-2 Elektronen während gesamter Messzeit aus folgenden Reaktionen möglich: K + e + + ν e + π 0 und K 0 e ± + ν e /ν e + π ± Monte Carlo Simulation des Aufbaus theoretische µ-rate von 0,75 Events pro 10 16 Protonen experimentelle µ-rate aus Einzel-µ-Spuren (0,84 ± 0,16) Events pro 10 16 Protonen

4. Die Auswertung Schlussfolgerung: ν μ ν e

5. Folgezeit Bestätigung der Ergebnisse durch äquivalentes Experiment am CERN Bestätigung der FERMI-Theorie Wechsel von J.Steinberger zu CERN

5. Folgezeit 1970-1973 CERN: Gargamelle-Bubble- Chamber, direkte Suche nach W ± -Boson, P.Musset: Fund der neutral-currents Indiz auf Z 0 -Boson Wendepunkt im Verständnis der schwachen WW, Ausgangspunkt für weitere Theorien Erste Bestimmung des Weinberg-Winkels

Notiz Weinbergwinkel: Der Weinberg-Winkel ist eine elementare Naturkonstante und verknüpft die elektrische Elementarladung e mit der schwachen Elementarladung g. Das Quadrat vom Sinus des Weinberg-Winkels entspricht (ohne so genannte Strahlungskorrekturen, also dem Austausch virtueller Teilchen) gerade dem Quadrat des Verhältnisses von elektrischer zu schwacher Elementarladung (siehe Gleichung). Mithilfe der Massen der Schwachen Wechselwirkung, dem Z-Teilchen und den W- Teilchen (Weakonen), folgt der Weinberg-Winkel experimentell. Er wird allerdings nicht vom Standardmodell theoretisch vorhergesagt! Der Weinberg-Winkel hängt auch mit der Feinstrukturkonstanten und der Fermi- Konstanten zusammen und kann so alternativ bestimmt werden. In der Elektroschwachen Theorie, einer unifizierten Theorie aus und elektromagnetischer und schwacher Wechselwirkung gibt der Weinberg-Winkel die "Mischung" zwischen Photon und Z-Teilchen an.

5. Folgezeit 1974 SPEAR e + e - -Collider at Mark I (SLAC + LBL): Entdeckung des τ-leptons 1983 UA1 und UA2 am CERN: direkte Beobachtung von W-und Z-Bosonen 1988 Nobelpreis für Physik geht an: L.Lederman, M.Schwartz, J.Steinberger

Quellen original work: Physical Review Letters, Volume 9, Number 1, July 1, 1962, pages 36-44. Nobel lecture, December 8, 1988 by Melvin Schwartz (www.nobelprize.org) pictures: American Institute of Physics (www.aip.org)

Quellen The Ultimate Neutrino Page (http://cupp.oulu.fi/neutrino) Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Volume 33 Learning about Particles, by Jack Steinberger (SLUB) The Elusive Neutrino, by Nickolas Solomey (SLUB)