MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS …menzemer... · 2013-11-23 · K1⌧K2 K 3 ⌧ K 4...

MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS DES

MYONS

Christoph Schweiger22. November 2013

1Freitag, 22. November 13

MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS DES NEGATIVEN MYONS

ae ' aQEDe

aµ = aQEDµ + aweak

µ + ahadµ

atheoµ

= 11659182.2(7.3) · 10�10 (0.62ppm)

2Freitag, 22. November 13

GLIEDERUNG

I. Myonen und magnetisches Moment

II. Experiment E821 am Brookhaven National Laboratory (BNL)

1. Messprinzip, Aufbau und systematische Fehlerquellen

2. Ergebnisse und Folgerungen

3. Zukünftige Messungen

3Freitag, 22. November 13

MYONEN

4

• Masse:

• Lebensdauer:

• Zerfall über schwache WW

mµ = 105.66MeV

c2

) mµ ' 207 ·me

⌧µ = 2.2µs

µ� ! e� + ⌫µ + ⌫̄e

Freitag, 22. November 13

MYON - ZERFALL

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µ� ! e� + ⌫µ + ⌫̄µ

• Paritätssymmetrie bei Zerfall über schwache WW nicht erhalten

• Folge: Nur linkshändige Neutrinos (Helizität -1), d.h. Spinrichtung antiparallel zur Flugrichtung

• Spinrichtung und Flugrichtung des Zerfallselektrons antiparallel

Freitag, 22. November 13

MAGNETISCHES MOMENT DES MYONS

• magnetisches Moment durch Spin:

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• Dirac-Theorie:

• heute: Korrekturen des g-Faktors der Dirac-Theorie:

gµ = 2(1 + aµ) ) aµ =(gµ � 2)

2

• Anomales magentisches Moment:

~µµ = ~µs = gµ

✓e

2mµ

◆~s

ge = gµ = 2

gµ = 2.0023318414(12)

Freitag, 22. November 13

THEORETISCHE BEITRÄGE

• Theoretische Beiträge:

a. QED und elektroschwache Wechselwirkung (QED+EW)

b. Hadronische Vakuumpolarisation (HVP) und Licht-Licht-Streuung (HLbL)

7

atheoµ = 116591802(42)HV P (26)HLbL(2)QED+EW (49)tot · 10�11

• Motivation:

a. Präzisionstest des Standardmodells sowie der QED für höhere

b. virtuelle, an koppelnde Felder z.B. SUSY, ...

q2

µ

✓mµ

me

◆2

' 40000

Freitag, 22. November 13

GLIEDERUNG

I. Myonen und magnetisches Moment

II. Experiment E821 am Brookhaven National Laboratory (BNL)

1. Messprinzip, Aufbau und systematische Fehlerquellen

2. Ergebnisse und Folgerungen

3. Zukünftige Messungen

8Freitag, 22. November 13

EXPERIMENT BNL E821

9

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SPEICHERRING

10

14 m

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MESSPRINZIP - MYON IM MAGNETFELD

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~!s

~µµ

~B

~!s = �gµq

2m~B

Magnetfeld

~Fz = ~FL ~v

) ~!c = �q ~B

m

q~v ~B = �m~v2

r

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MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION

• Vergleich von Larmor- und Zyklotronfrequenz:

12

~!s = �gµq

2m~B ~!c = �q ~B

m

gµ > 2

~!a ⌘ ~!s � ~!c

~!a = �aµq ~B

m

• Spinpräzessionsfrequenz größer als Zyklotronfrequenz, da

Anomale Präzessionsfrequenz

Freitag, 22. November 13

MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION

13

Polarisierte Myonen

Homogenes Präzisionsmagentfeld

Spinpräzession schneller als Umlauffrequenz

Zerfall des Myons: Elektron wird entgegen der Spinrichtung emittiert

Spinrichtung rekonstruierbar

Freitag, 22. November 13

MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION

14

Impulsrichtung Impulsrichtung

1. Umlauf nach mehreren Umläufen

~B

fc = 6.71MHz fs = 6.94MHz fa = 0.23MHz

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ANOMALE PRÄZESSION

15

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SPEICHERRING

16

Freitag, 22. November 13

POLARISIERTE MYONEN

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D5U line

D3,D

4

Q2Q1

D6

D1,D2

V line

AGS

VD3VD4

Beam StopInflector

Pion Decay Channel

Pion Production Target

K1⌧K2

K3⌧K

4

2 Ringg−

U V line−

Alternating Gradient Synchrotronca. 250 m DurchmesserProtonen mit 24 GeV

ca. 80 m

Freitag, 22. November 13

POLARISIERTE MYONEN

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Pionzerfall über schwache WW

Impulserhaltung: Entgegengesetzte Richtung von Myon und Antineutrino

Antineutrino immer rechtshändig

Auch Myon ist in Flugrichtung polarisiert!

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PRÄZISIONSMAGNETFELD

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Shim plateThrough bolt

Iron yoke

slotOuter coil

Spacer Plates

1570 mm

544 mm

Inner upper coil

Poles

Inner lower coil

To ring center

Muon beam

Upper push−rod

1394 mm

360 mm

B = 1.45 T

Freitag, 22. November 13

MESSUNG DES MAGNETFELDS

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Magnetfeldmessung mit Nuclear Magnetic Resonance (NMR)

Magnetfeld B = 1.4513 T bei einer Messgenauigkeit von bis zu 1 ppm

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SPEICHERRING

21

Freitag, 22. November 13

INFLECTOR & KICKERMAGNET

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Inflector

Kicker

• Inflector: Hebt das Speicherringmagnetfeld auf

• Kicker : Lenk Myonen auf gewünschte Umlaufbahn

• Zyklotronperiodendauer:

• Kickerpuls:

⌧c = 149ns

⌧k = 400ns

Freitag, 22. November 13

QUADRUPOLFELD

• vertikale Fokussierung

• relativistische Myonen: Wirkt wie Magnetfeld

•

•

•

23

Trolleyrail

~!a =e

mc

aµ ~B �

✓aµ � 1

�2L � 1

◆~� ⇥ ~E

�

�L = 29.3

pµ = 3.094GeV

c

⌧ 0µ = �L⌧µ = 64.4µs

+24 kV

+24 kV

-24 kV

-24 kV

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NACHWEIS DER ELEKTRONEN

24

• 24 Kalorimeter

• Messung der Elektronenergie und Detektionszeit

• Elektronen mit Energie größer 1.8 GeV

• wichtig: Pulstrennung

Freitag, 22. November 13

NACHWEIS DER ZERFALLSELEKTRONEN

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• Anzahl hochenerget. Elektronen oszilliert mit anomaler Präzessionsfrequenz

N(t) = N0 exp

✓� t

�L⌧

◆[1 +A sin (!at+ �a)]

• wird durch Fit bestimmt:!a

Freitag, 22. November 13

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SYSTEMATISCHE FEHLER

• Systematischer Fehler von

a. Pileup 0.13 ppm

!a

~B• Systematischer Fehler von

a. Multipole, Kicker, Trolleytemperatur 0.10 ppm

b. Kalibration der NMR Proben im Trolley 0.09 ppm

0.21 0.17

!a [ppm] ~B [ppm]

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ERGEBNISSE

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aexpµ

= 11659208.0(6.3) · 10�10 (0.54ppm)

atheoµ

= 11659182.2(7.3) · 10�10 (0.62ppm)

Abweichung: 2.5 bis 3.5 Standardabweichungen

Freitag, 22. November 13

ZUKÜNFTIGE MESSUNGEN

• neues Experiment E989 am Fermilab

• Start ab 2016 mit den Zielen:

a. Minimierung der systematischen Fehler

b. Bessere Statistik

• Wiederverwendung des Myonspeicherrings: Transport zum Fermilab

28

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QUELLEN

• Phys. Rev. Lett. 73, 072003 (2006)

• Phys. Rev. Lett. 92, 161802 (2004)

• Annual Review Nucl. Part. Sci. 2012, 62:237-64

• Berger, Christoph: Elementarteilchenphysik, zweite Auflage, Springer 2006

• http://pdg.lbl.gov/ (Particle Data Group)

• wikipedia: Myon, Paritätsverletzung, Kernspinresonanz

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RELATIVISTISCHE RECHNUNG

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~!a = �gµq ~B

2m� (1� �L)

q ~B

�Lm+

q ~B

�Lm

= �gµq ~B

2m� q ~B

�Lm+

q ~B

m+

q ~B

�Lm

= �q ~B

m

⇣gµ2

� 1⌘

= �aµq ~B

m

~!c = � q ~B

m�L~!s = �gµq ~B

2m� (1� �L)

q ~B

�Lm

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MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION

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Laborsystem:

Mehr hochenergetische Elektronen wenn Myonspin antiparallel zur Myonimpulsrichtung

~vCMS

Die Anzahl der hochenergetischen Elektronen oszilliert mit der Zeit mit der anomalen Präzessionsfrequenz ~!a

Energieschwelle des Detektors: 1.8 GeV

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FOKUSSIERUNG MIT QUADRUPOLFELD

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NMR - MAGNETFELDMESSUNG

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INFLECTOR

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