Präzisionsmessung der Protonenasymmetrie im Neutronzerfall

Neutronen werden verwendet, um wichtige Fragen in Kern- und Teilchenphysik, Astrophysik und Kosmologie, und Gravitation zu untersuchen. Hier konzentrieren wir uns auf Präzisionsmessungen im Betazerfall. Der Schwerpunkt unserer Forschung liegt auf der Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells der Elementarteilchen und Felder. Mögliche Erweiterungen des Standardmodells erfordern neue Symmetriekonzepte wie Links-Rechts- Symmetrie, exotische Fermionen, Leptoquarks, Supersymmetrie und vieles mehr. Komplementär zur direkten Suche nach neuen Teilchen in der Hochenergiephysik mit Beschleunigern, erforschen wir indirekt die Existenz solcher Teilchen und liefern Einschränkungen für neue Physik mit Präzisionsexperimenten. Mit dem PERKEO III Experiment können wir Energiespektren und Winkelkorrelationen der Neutronenzerfallsprodukte messen. PERKEO III ist so konzipiert, dass es die systematischen Effekte der vorangegangenen Experimente PERKEO I und PERKEO II vermeidet. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Messung des Protonenasymmetrie-Parameters C im Betazerfall polarisierter Neutronen mit einer beispiellosen Genauigkeit von 0,2%. Mit einer solchen Messung streben wir nach einer unabhängigen Messung des Verhältnisses der schwachen Axialvektor- zur Vektor-Kopplungskonstante und nach verbesserten Grenzen für Masse und Mischungswinkel eines WR-Boson, welches rechtshändige Wechselwirkungen vermittelt, sowie für skalare und tensorielle Wechselwirkungen aus dem Neutronenbetazerfall. Das WR-Boson wird mit den Links-Rechts-symmetrischen Modellen assoziiert. Die manifest Links-Rechts- symmetrischen Modelle, zum Beispiel, werden in etwa mit einem minimalen Higgs-Bereich realisiert. Skalare und tensorielle Kopplungen wiederum würden auftreten, wenn noch unbekannte Leptoquarks oder geladene Higgs Bosonen anstelle eines W-Boson ausgetauscht würden.

Die Vermessung der Naturgesetze Eine Naturkonstante mit großer Bedeutung für die Teilchenphysik konnte nun neu gemessen werden mit deutlich höherer Präzision als bisher. Es gibt einige Zahlenwerte, die grundlegende Eigenschaften unseres Universums festlegen. Sie sind einfach so wie sie sind und niemand weiß warum. Dazu gehört etwa der Wert der Lichtgeschwindigkeit, die Masse des Elektrons oder auch die Kopplungskonstanten, von denen die Stärke der Naturkräfte definiert wird. Eine dieser Kopplungskonstanten, die "schwache Axialvektor- Kopplungskonstante" (abgekürzt gA) konnte nun im Rahmen des Projekts viel genauer bestimmt werden als bisher. Mit Hilfe ausgeklügelter Neutronenexperimente konnte man den Wert der Kopplungskonstante gA nun mit einer Genauigkeit von 0,04 % angeben. Vom Urknall bis zum CERN In vielen Bereichen der modernen Physik ist ein möglichst genauer Zahlenwert für die Kopplungskonstante gA wichtig: Etwa eine Sekunde nach dem Urknall begann die "primordiale Nukleosynthese" die Entstehung der ersten Elemente. Welche Menge von welchen Elementen damals entstand, hängt unter anderem von g A ab. Und diese ersten Sekunden der Nukleosynthese bestimmen die Element-Verteilung des Universums bis heute. Auch die Frage, wie die Energie im Universum auf gewöhnliche Atome und dunkle Materie verteilt ist, hängt mit dieser Kopplungskonstante zusammen. Nicht zuletzt ist sie entscheidend um die Genauigkeit großer Experimente zu erhöhen etwa rund um Teilchenkollisionen am CERN. Das Rätsel der zerfallenden Neutronen Kann Dunkle Materie entstehen, wenn sich Neutronen in Protonen umwandeln? Diese Theorie wird heiß diskutiert doch unsere Analysen ergeben dafür keine Anzeichen. Irgendetwas stimmt nicht in der Teilchenphysik: Zwei unterschiedliche Arten, die Lebensdauer von Neutronen zu messen, liefern deutlich unterschiedliche Ergebnisse. Seit etwa fünfzehn Jahren ist dieses Rätsel ungelöst. In letzter Zeit wurde eine mögliche Erklärung international intensiv diskutiert: Könnte es sein, dass manche Neutronen in Dunkle Materie zerfallen, also in unbekannte Teilchen, die man bisher nicht messen konnte? Wir gingen dieser These nach. Große Datenmengen von hochpräzisen Neutronenexperimenten wurden neu analysiert, zusätzliche Experimente wurden durchgeführt auf Dunkle Materie stießen wir dabei allerdings nicht. Im Gegenteil: 95 % des Energiebereichs, in dem sich die Dunkle Materie theoretisch verstecken könnte, ließ sich definitiv ausschließen. Für die Diskrepanzen in den Messungen der Neutronenlebensdauer muss es wohl andere Gründe geben. Wie sich zeigte passen die Daten allerdings bestens zum bisherigen Standardmodell der Teilchenphysik ganz ohne Dunkle Materie. Damit erscheint diese Theorie nun äußerst unplausibel.