Präzisionsanalyse der Neutronbetazerfälle zur Ordnung 10^-5

Das Verständnis der in diesem Projekt behandelten Probleme sollte zu einer wesentlichen Verbesserung unserer Kenntnis der starken Wechselwirkungen bei niederer Energie und deren Einfluss auf schwache Zerfallsprozesse führen. Auf die Wichtigkeit dieses Einflusses hat Weinberg schon 1956 aufmerksam gemacht. Wie Sirlin 1967 gezeigt hat, spielen die Starken-Nieder-Energie- Wechselwirkungen beim Betazerfall des Neutrons eine wichtige, jedoch passive Rolle bei der Analyse der äußeren Strahlungskorrekturen und der inneren Bremsstrahlung in ersten Ordnung der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstante. Insbesondere sind diese wichtig für die Eichinvarianz dieser Korrekturen aber hängen nicht von der Elektronenergie ab. Das erlaubt, diese Beiträge durch eine formale Renormierung der Schwachen-Fermi-Kopplungskonstante und der axialen Kopplungskonstante zu eliminieren. Auf die nicht-triviale Rolle der Starken-Nieder-Energie-Wechselwirkungen für die Eichinvarianz der Strahlungskorrekturen zweiter Ordnung in der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstante, die über einen einfachen, von der Elektronenergie unabhängigen Beitrag hinausgehen, wurde von Ivanov und Mitarbeitern (Ivanov2017) hingewiesen. Am Beispiel der Rate des Strahlungs-Neutron- Beta-Zerfalls zweiter Ordnung in der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstante wurde gezeigt, dass der Beitrag der Starken-Nieder-Energie-Wechselwirkungen nicht nur für die Eichinvarianz der Strahlungskorrekturen zweiter Ordnung in der Sommerfeldschen Feinstrukturkonstante wichtig sind, sondern die Korrekturen auch von den Elektron- und Photon-Energien abhängen. Eine wichtige Folge der Größe dieser Korrekturen ist, dass diese experimentell durch Messung der Elektron- und Proton-Energiespektren und Winkelverteilungen des Neutron-Beta-Zerfalls bei einem Niveau der experimentellen Unsicherheiten von ein paar Teilen in 10-5 analysiert werden können. Die Berechnungen der Strahlungskorrekturen der ersten Ordnung nach der Feinstrukturkonstante und die nach der nächst führenden Ordnung der Entwicklung nach der großen Nukleonmassen, die durch den schwachen Magnetismus und den Proton-Rückstoßverursacht werden, sollten die Analyse der Korrekturen der Ordnung 10-5 vervollständigen und zu einem neuen Niveau im Verständnis der Rolle des schwachen Magnetismus, insbesondere beim Neutron-Beta-Zerfall und möglicherweise auch bei schwachen Zerfällen im allgemeinen führen. Die Ergebnisse, die in diesem Projekt erarbeitet werden, sollten i) unser Verständnis der Rolle der Starken-Nieder-Energie-Wechselwirkungen in schwachen Prozessen verbessern und ii) der Entwicklung der experimentellen Technologien und Methoden neuen Auftrieb verleihen und damit ein neues, höheres Niveau der experimentellen Genauigkeit der Tests des Standardmodells der Teilchenphysik ermöglichen. Die Verwendung des renormierbaren Sigma-Modells zur Beschreibung von starken Wechselwirkungen ist äquivalent zur Stromalgebra und sollte das Projekt auf dem selben Konfidenzniveau realisieren wie die Resultate von Sirlin.

Dieses Projekt leistet einen wichtigen Beitrag zu den theoretischen Aspekten des Betazerfalls von Neutronen, insbesondere zur Analyse der sogenannten Korrelationskoeffizienten, um nach Erweiterungen des Standardmodells der Elementarteilchen zu suchen. Die Arbeiten konzentrieren sich auf detaillierte Vorhersagen von Beta-Zerfall-Observablen, die experimentell überprüft werden können, um neue Physik zu finden. Zum Beispiel untersuchte unsere Arbeitsgruppe die Auswirkungen von Asymmetrien beim Betazerfall von Neutronen auf fundamentale Symmetrien und deren mögliche Verletzung bei neuen, hypothetischen Wechselwirkungen jenseits des Standardmodells. Ein Kernpunkt des Projekts war es, die theoretischen Vorhersagen des Standardmodells der Elementarteilchen so genau zu berechnen, dass mit den experimentellen Möglichkeiten des neuen Messplatzes PERC am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum in München ein Vergleich zwischen Theorie und Experiment auf einem neuen Niveau stattfinden kann. Das Projekt liefert auch einen wichtigen Beitrag zur Lösung des Lebensdauerproblems des Neutrons. Dieses Problem, oft als "neutron lifetime puzzle" bezeichnet, ist eines der offenen Fragen in der Kern- und Teilchenphysik. Es geht darum, dass die gemessene Lebensdauer des freien Neutrons je nach experimenteller Methode unterschiedliche Werte zeigt, was zu einer Diskrepanz von etwa 8-10 Sekunden führt. Ben Koch hat bei der Arbeit am Projekt eine verblüffende Lösung für das Rätsel der Neutronenlebensdauer vorgeschlagen, die die anhaltende Diskrepanz zwischen den "Flaschen"- und "Strahl"-Messmethoden angeht. Seine Hypothese besagt, dass freie Neutronen nicht nur im Grundzustand, sondern möglicherweise in einer Mischung aus angeregten Quantenzuständen existieren. Diese Zustände, die sich in ihrer Energie und ihren Zerfallseigenschaften unterscheiden, könnten den systematischen Unterschied von acht Sekunden erklären, der zwischen der Flaschen- (880 Sekunden) und der Strahlmethode (888 Sekunden) beobachtet wurde. Die Theorie ist überprüfbar: Experimente könnten diese hypothetischen angeregten Neutronenzustände identifizieren und ihren Einfluss auf die Zerfallslebensdauer quantifizieren.