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MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS DES MYONS Christoph Schweiger 22. November 2013 1 Freitag, 22. November 13

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MESSUNG DES ANOMALEN MAGNETISCHEN MOMENTS DES

MYONS

Christoph Schweiger22. November 2013

1Freitag, 22. November 13

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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

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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

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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

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MYON - ZERFALL

5

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

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MAGNETISCHES MOMENT DES MYONS

• magnetisches Moment durch Spin:

6

• 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)

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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

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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

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EXPERIMENT BNL E821

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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

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MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION

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Polarisierte Myonen

Homogenes Präzisionsmagentfeld

Spinpräzession schneller als Umlauffrequenz

Zerfall des Myons: Elektron wird entgegen der Spinrichtung emittiert

Spinrichtung rekonstruierbar

Freitag, 22. November 13

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MESSPRINZIP - ANOMALE PRÄZESSION

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Impulsrichtung Impulsrichtung

1. Umlauf nach mehreren Umläufen

~B

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

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ANOMALE PRÄZESSION

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SPEICHERRING

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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

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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

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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

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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

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QUADRUPOLFELD

• vertikale Fokussierung

• relativistische Myonen: Wirkt wie Magnetfeld

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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

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• 24 Kalorimeter

• Messung der Elektronenergie und Detektionszeit

• Elektronen mit Energie größer 1.8 GeV

• wichtig: Pulstrennung

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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

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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

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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

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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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