Experimente und Ergebnisse zum Protonzerfall

(1)

Einleitung Theoretischer Hintergrund Experimente und Ergebnisse Fazit und Ausblick Quellen

Experimente und Ergebnisse zum Protonzerfall

Scheinseminar Teilchenphysik und Astrophysik Physikalisches Institut Erlangen

Liwen Li

23.Mai.2011

(2)

Gliederung

1

Einleitung:

Eigenschaften von Proton

2

Theoretischer Hintergrund:

Standardmodell, GUT, (SUSY, SUGRA, Strings...)

3

Experimente und Ergebnisse:

KGF, NUSEX, Fr´ ejus, Soudan, IMB, Superkamiodande, ICARUS

4

Fazit und Ausblick:

Proposals, Zukunft des Detektors

5

Quellen:

Links zu verwendeten Papers, Homepages

(3)

Einleitung

Eigenschaften von Proton

Baustein der Atomen mit Ladung +1 und Masse 938MeV unterliegt allen vier fundamentalen Wechselwirkungen Quark-System: Up-Up-Down(uud)

Das leichteste Baryon

Proton ist sehr stabil = b extrem lange Lebensdauer

(4)

Zerfallskan¨ ale

Channel τ

p

in 10

³⁰

a(experimental lower bounds, CL 90%, PDG 2010 )

p → e

⁺

π

⁰

1600

p → µ

⁺

π

⁰

473 p → νπ

⁺

25 p → e

⁺

K

⁰

150 p → µ

⁺

K

⁰

120 p → ν K

⁺

670 p → e

⁺

γ 670

p → µ

⁺

γ 478

... ...

Vgl: Alter des heutigen Universums: ∼ 10 ¹⁰ a

(5)

Zerfallskan¨ ale

Channel τ

p

in 10

³⁰

a(experimental lower bounds, CL 90%, PDG 2010 )

p → e

⁺

π

⁰

1600

p → µ

⁺

π

⁰

473 p → νπ

⁺

25 p → e

⁺

K

⁰

150 p → µ

⁺

K

⁰

120 p → ν K

⁺

670 p → e

⁺

γ 670

p → µ

⁺

γ 478

... ...

Vgl: Alter des heutigen Universums: ∼ 10 ¹⁰ a

(6)

Standardmodell der Teilchenphysik

etablierte Theorie, best¨ atigt durch LEP, SLC, Tevatron...

beschreibt alle bisher bekannten Teilchen(Antiteilchen):

6 (Anti-)Quarks + 6 (Anti-)Leptonen

beinhalt drei Eichgruppen(stark, schwach und elektromagnetisch):

SU(3)

C

xSU (2)

L

xU(1)

Y

Kr¨ afte ¨ ubermittelt durch die virtuellen

Austauschteilchen(Eichbosonen, Generatoren der Eichgruppe)

LHC: Nachweis von Higgs-Boson

(7)

Theorie der elementaren Teilchen Grand Unified Theory(GUT) Weitere Theorien

Bausteine des Modells

Baryonenzahl und Leptonenzahl f¨ ur sich erhalten!

Beispiel: Zerfall eines freien

Neutrons n → p + e

⁻

+ ν

_e

(8)

Bausteine des Modells

Baryonenzahl und Leptonenzahl f¨ ur sich erhalten!

Beispiel: Zerfall eines freien

Neutrons n → p + e

⁻

+ ν

_e

(9)

Minimal SU(5) in GUT

Georgi und Glashow in 1974: SU(5) ⊃ SU (3)xSU(2)xU(1) SU (3)

C

xU(1)

em

>100GeV

−−−−−→

M_W

SU (3)

C

xSU(2)

L

xU(1)

Y

>10¹⁵GeV

−−−−−−→

M_GUT

SU(5) 5

²

− 1 = 24 = (8, 1)

| {z }

Gluonen

⊕ (1, 3) ⊕ (1, 1)

| {z }

W^±,Z,γ

⊕ (3, 2) ⊕ (¯ 3, 2)

| {z }

X,Y







g

r¯r

−

^√²

30

B g

rg¯

g

_r¯b

X

1

Y

1

g

g¯r

g

g¯g

−

^√²

30

B g

_gb¯

X

2

Y

2

g

_b¯_r

g

_b¯_g

g

_b¯b

−

^√²

30

B X

3

Y

3

X ¯

1

X ¯

2

X ¯

3 √1

2

W

³

+

^√³

30

B W

⁺

Y ¯

1

Y ¯

2

Y ¯

3

W

⁻ ^√¹

2

W

³

+

^√³

30

B







(10)

Minimal SU(5) in GUT

Georgi und Glashow in 1974: SU(5) ⊃ SU (3)xSU(2)xU(1) SU (3)

C

xU(1)

em

>100GeV

−−−−−→

M_W

SU (3)

C

xSU(2)

L

xU(1)

Y

>10¹⁵GeV

−−−−−−→

M_GUT

SU(5) 5

²

− 1 = 24 = (8, 1)

| {z }

Gluonen

⊕ (1, 3) ⊕ (1, 1)

| {z }

W^±,Z,γ

⊕ (3, 2) ⊕ (¯ 3, 2)

| {z }

X,Y







g

r¯r

−

^√²

30

B g

rg¯

g

_r¯b

X

1

Y

1

g

g¯r

g

g¯g

−

^√²

30

B g

_gb¯

X

2

Y

2

g

_b¯_r

g

_b¯_g

g

_b¯b

−

^√²

30

B X

3

Y

3

X ¯

1

X ¯

2

X ¯

3 √1

2

W

³

+

^√³

30

B W

⁺

Y ¯

1

Y ¯

2

Y ¯

3

W

⁻ ^√¹

2

W

³

+

^√³

30

B







(11)

Darstellungen der SU(5)

SM Familie I: ¯ d

_R^color

⊕ (ν

e

, e

⁻

)

L

⊕ u ¯

_R^color

⊕ (u

^color

, d

^color

)

L

⊕ e

_R⁺

= 15 SU(5) Familie I: (¯ 3, 1) ⊕ (1, 2)

| {z }

¯5

⊕ (¯ 3, 1) ⊕ (3, 2) ⊕ (1, 1)

| {z }

10

= 15

¯ 5 = ¯ d

R

⊕ l

L

, 10 =

²⁵⁻⁵₂

: antisymmetrisches Tensor-Produkt zweier 5

¯ 5 =





 d ¯

_R^r

d ¯

_R^g

d ¯

_R^b

e

⁻

−ν

e







L

, 10 =

^√¹

2







0 u ¯

_R^b

−¯ u

_R^g

−u

^r_L

−d

_L^r

−¯ u

_R^b

0 ¯ u

^r_R

−u

_L^g

−d

_L^g

¯

u

^g_R

−¯ u

^r_R

0 −u

_L^b

−d

_L^b

u

^r_L

u

^g_L

u

_L^b

0 e

_R⁺

d

_L^r

d

_L^g

d

_L^b

−e

_R⁺

0 





L

¯ 5 ⊕ 10 komplex und anomaliefrei(renormierbar)

⇒ Erzeugeroperator linksh¨ andiger Teilchen in einer Familie

(12)

Verletzung der Baryonenzahl und Erhaltung der B − L

Ubergang Lepton-Quark(Leptoquark) ¨ Ubergang Quark-Antiquark(Diquark ¨ )

B − L Erhaltung

∆B6=0

B−L

L

¯5⊕10

= g

GUT

√ 2

X ¯

µ^α

(

αβγ

¯ u

_L^Cγ

γ

^µ

u

^β_L

+ ¯ d

{L,R}α

γ

^µ

e

_L,R⁺

) + g

GUT

√ 2

Y ¯

_µ^α

(

αβγ

¯ u

_L^Cγ

γ

^µ

d

_L^β

− d ¯

Rα

γ

^µ

ν

_eR^C

− u ¯

Lα

γ

^µ

e

_L⁺

) +

hermitian conjugate

B−L

L

¯5

∼ ¯ 5·M ·5 = d ¯

r

¯ d

g

d ¯

b

e

⁻

−ν

e







· · · X

1

Y

1

· · · X

2

Y

2

· · · X

3

Y

3

X ¯

1

X ¯

2

X ¯

3

· · Y ¯

1

Y ¯

2

Y ¯

3

· ·











 d

r

d

g

d

b

e

⁺

−¯ ν

e







(13)

Protonzerfall nach GUT

Spur(Q

¯5

) = 0 ⇒ Q

d

=

¹₃

Q

_e⁻

Spur(Q

10

) = 0 ⇒ Q

u

= −2Q

d

Quantisierung der Ladung

∆B 6= 0 fordert eine endliche Lebensdauer des Protons vorhergesagte τ

p

in p → e

⁺

π

⁰

: τ

p

=

¹_Γ

= α

⁻²_GUT ^m

5 p

M_GUT⁴

∼ 10

^30±1.5

a

...leider um 10

³

kleiner als heute gemessener Grenzwert

(14)

Protonzerfall nach GUT

Spur(Q

¯5

) = 0 ⇒ Q

d

=

¹₃

Q

_e⁻

Spur(Q

10

) = 0 ⇒ Q

u

= −2Q

d

Quantisierung der Ladung

∆B 6= 0 fordert eine endliche Lebensdauer des Protons vorhergesagte τ

p

in p → e

⁺

π

⁰

: τ

p

=

¹_Γ

= α

⁻²_GUT ^m

5 p

M_GUT⁴

∼ 10

^30±1.5

a

...leider um 10

³

kleiner als heute gemessener Grenzwert

(15)

Weitere Theorien

Theorie Zerfallskanal Lebensdauer(Jahren) Minimal GUT SO(10) p → e

⁺

π

⁰

10

³⁰

- 10

⁴⁰

GUT G(224) p → e

⁺

π

⁰

(mit Parit¨ at) 2 · 10

^32±2

GUT G(2213) p → e

⁺

π

⁰

(ohne Parit¨ at) 7 · 10

^37±2

Minimal SUSY SU(5) p → νK

⁺

≤ 10

³⁰

excluded!

Flipped SUSY SU(5) p → e

⁺

π

⁰

10

³¹

- 10

³⁵

Minimal SUSY SO(10) p → νK

⁺

10

³²

- 10

³⁴

SUGRA SU(5) p → νK

⁺

10

³²

- 10

³⁴

Extra Dimensions(6D) p → e

⁺

π

⁰

10

³⁵

Quantum Gravity p → q ¯ + l + · · · 10

⁴⁵

(M

QG

= M

PL

)

... ... ...

Bestimmung der τ

p

( Erforschung der Planck-Skala

Entwicklung moderner Theorien

(16)

Detektorbeschaffenheit

sehr viele Samples(1kton enth¨ alt ca 6x10

³²

Nukleonen) sehr gute Ortsaufl¨ osung

Abschirmung, Signal/Untergrund-Trennung, Event Rekonstruktion τ

i

= ¯ τ /B

i

vom Zerfallskanal i im Idealfall(lower bound, CL 90%):

τ

i

> η · M · T · 10

³²

Jahren B

i

= Γ

i

/Γ: Verzweigungsverh¨ altnis

η: Detektoreffizienz

M: Sensitive Masse in kton

T: Messzeit in Jahren

M · T : Exposure[kton · years]

(17)

Detektoren zum Protonzerfall Spurkalorimeter

Wasser Cherenkov Detektor LAr TPC - ICARUS

Signatur des Zerfalls

p → e ⁺ π ⁰ → e ⁺ 2γ

P ~ _Fermi von Proton ist nicht zu vernachl¨ assigen!

(18)

KGF

Kolar Gold Field 2300m untererdisch Masse: 0.14kton

34 Eisenplatten(60% der M

ges

)

1594 Proportionalz¨ ahler

Exposure: 126 ton·year

Grenzwert: ∼ 10

³⁰

Jahren

(19)

NUSEX

NUcleon Stability EXperiment 1850m untererdisch

Masse: 0.15kton

134 Eisenplatten

42880 Streamertubes

Exposure: 130 ton·year

Grenzwert: ∼ 10

³¹

Jahren

(20)

Fr´ ejus

1780m untererdisch

Masse: 0.9kton

912 Eisenplatten

10

⁶

Blitzkammer

Geigerz¨ ahler Triggerung

Exposure: 2 kton·year

Grenzwert: ∼ 10

³²

Jahren

(21)

Soudan II

760m untererdisch

Masse: 0.96kton

224 Wellbleche

2 · 10

⁶

Drifttubes

Exposure: 4.4 kton·year

Grenzwert: ∼ 10

³²

Jahren

(22)

IMB-3

Irvine Michigan Brookhaven 600m untererdisch

8ktons hoch reines Wasser, davon 3.3ktons sensitiv 2048 20cm-PTM-Tubes, 4% Bedeckung

Exposure: 7.6 kton·year

Grenzwert: ∼ 10

³²

Jahren

(23)

Cherenkov Strahlung

Geladenes Teilchen fliegt im optisch dichten Medium mit v> c/n

⇒ Emission der Cherenkov-Strahlung:

_dxdλ^d²^N

=

^2παZ_λ₂²

1 −

_β₂¹_n₂

cos ϑ

c

=

^c/n_v

∼

_β¹

, n

Wasser

= 1.33 ⇒ 0

^◦

< ϑ

c

< 42

^◦

(24)

Monte-Carlo-Simulation

(25)

Superkamionande

1000m unter den Felsen(1.88 Muon/s)

50ktons hochreines Wasser in 897m

²

x36.2m(davon 22.5ktons sensitiv) SKI: 11146 0.5m-PMT-Tubes, 40% Bedeckung

SK-II: 5183 PMTs, 20% Bedeckung(nach dem Unfall am 12.11.2001)

SK-III: Reinstallation des PMTs 2006

(26)

Skizze des Detektors

(27)

Skizze des SK-PMTs

(28)

Funktionsweise eines PMTs

Photokathoden(Photoeffekt) Dynoden

Spannungsteiler

(29)

Charakteristische PMT-Spektren

(30)

Muon- und Elektron-Ring

(31)

Auswahlskriterien des Signals p → e ⁺ π ⁰

Photoelektronen: 6000 < Q

tot

< 9500 2 oder 3 Elektron-Ringe(Schauer)

Falls 3 Ringe: 85MeV /c

²

< M

_inv,π0

< 185MeV /c

²

800MeV /c

²

< M

inv,tot

< 1050MeV /c

²

p

tot

=| P ~ p

i

|< 250MeV /c

Bis heute kein Protonzerfall beobachtet(172.8kton·year)

Ab 25.Nov.09 auf SK-Homepage: τ

_p

> 1.01 · 10

³⁴

a

(32)

Auswahlskriterien des Signals p → e ⁺ π ⁰

Photoelektronen: 6000 < Q

tot

< 9500 2 oder 3 Elektron-Ringe(Schauer)

Falls 3 Ringe: 85MeV /c

²

< M

_inv,π0

< 185MeV /c

²

800MeV /c

²

< M

inv,tot

< 1050MeV /c

²

p

tot

=| P ~ p

i

|< 250MeV /c

Bis heute kein Protonzerfall beobachtet(172.8kton·year)

Ab 25.Nov.09 auf SK-Homepage: τ

_p

> 1.01 · 10

³⁴

a

(33)

Imaging-Cosmic-And-Rare-Underground-Signals

Spurendriftkammer

wenige Masse

wenige Ausleser

wenige Kosten

mehr “Gewinn“

(34)

Wasser vs Liquid Argon

(35)

Monte-Carlo-Simulation in ICARUS

(36)

Detektoren im ¨ Uberblick

Detektor Laufzeit Typ Standort M

tot

in kton

KGF 1980-1992 Eisen-Kalorimeter Kolar Goldmine, Indien 0.14 NUSEX 1982-1998 Eisen-Kalorimeter Mont Blanc, Frankreich 0.15 Fr´ ejus 1984-1998 Eisen-Kalorimeter Fr´ ejus, Frankreich 0.9 Soudan II 1989-2001 Eisen-Kalorimeter Minnesota, USA 0.96

IMB-3 1986-1991 Wasser Cherenkov Ohio, USA 8

SK 1996-? Wasser Cherenkov Gifu, Japan 50

ICARUS 2010-? Liquid Argon TPC Gran Sasso, Italien 0.6

(37)

Zusammenfassung Proposals und Ausblick

Gemessene Grenzwerte im ¨ Uberblick

(38)

Wasser-Cherenkov vs LAr-TPC

Proposals Typ M

tot

in kton LENA Liquid Scintillator 50

UNO Wasser Cherenkov 650 HyperK Wasser Cherenkov 1000

3M Wasser Cherenkov 1000

MEMPHYS Wasser Cherenkov 1000

Glacier Liquid Argon TPC 100

LANNDD Liquid Argon TPC 100

(39)

Zusammenfassung Proposals und Ausblick

LAGUNA

Large Apparatus for Grand Unification & Neutrino Astrophysics

1

Protonzerfall

Planck-Skala, Materie-Antimaterie Asymmetrie

2

Niederenergetische Neutrino-Astrophysik

Neutrinoburst aus Supernova, diffuser Supernova-Neutrino Hintergrund, Geo- & Solarneutrinos

3

Eigenschaften von Neutrino

Neutrinooszillation, Neutrinomasse, See-Saw Mechanismus, dunkle

Materie, dunkle Energie

(40)

Technologie

(41)

Quellen

Proton stability in grand unified theories, in strings, and in branes, P. Nath, P.F. Perez Searches for proton decay with the Super-Kamiokande detector, Scott T. Clark Very massive underground detectors for proton decay searches, A. Rubbia The Liquid Argon Time Projection Chamber, A. Rubbia

Superkamiokande Official Homepage

ICARUS Official Homepage

LAGUNA Homepage

Experimente und Ergebnisse zum Protonzerfall