Korelacje kierunkowe w rozpadzie swobodnego neutronu – precyzyjny test Modelu Standardowego Poszukiwanie efektów łamania parzystości T A.Kozelaa) , G.Band), A.Białeka), K.Bodekb), P.Gorelb) , K.Kirchc), St.Kistrynb), M.Kuzniakb), O.Naviliat-Cuncicd), N.Severijnse), E.Stephanf), J.Zejmab) Institute of Nuclear Physics, PAN, Cracow, Poland Institute of Physics, Jagellonian University, Cracow, Poland Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland Laboratoire de Physique Corpusculaire, Caen, France Catholic University, Leuven, Belgium Institute of Physics, University of Silesia, Katowice, Poland

Motywacja: test Modelu Standardowego poprzez poszukiwanie nowych efektów łamania symetrii T. Korelacje kierunkowe w rozpadzie β-neutronu. Pomiar korelacji N i R. Układ eksperymentalny. Rezultaty. Plany na przyszłość...

Niezmienniczość względem odwrócenia czasu i twierdzenie CPT Twierdzenie CPT, (Schwinger, 1951): Teorie pola z lokalnym, lorentzowsko niezmienniczym i hermitowskim Hamitonianem są niezmiennicze względem kombinowanej transformacji CPT. Eksperymentalne potwierdzenia: identyczne własności cząstek i antycząstek, np. częstości cyklotronowych p,p (10-12), CPLEAR w układzie neutralnych kaonów (~10-5)... Wniosek: Łamanie T jest równoważne z łamaniem kombinowanej symetrii CP.

Łamanie symetrii T i CP, obserwacje Termodynamiczna „strzałka czasu”- II zasada termodynamiki. Asymetria w występowaniu materii i antymaterii we Wszechświecie: Sakharov: jednym z warunków jest łamanie CP. Rozpad KL -> ππ (1964) łamie symetrię CP ~ 2.2‰. Efekt: implementacja mechanizmu łamania CP w macierzy CKM, trzecia generacja kwarków i występowanie zespolonej fazy δKM, Za mały by wyjaśnić przewagę materii ...

Łamanie symetrii T i CP, obserwacje Pierwsza obserwacja bezpośredniego łamania CP, (1988, NA31, CERN) różnice w rozpadach KL, KS, na π0 π0 i π+ π- Bezpośrednie łamanie T w rozpadach kaonów: (1998, CPLEAR, CERN), (2000, KTeV, Fermilab), KL-> π+ π- e+ e- . Liczne obserwacje dużego łamania CP w rozpadach mezonów B (BaBar, SLAC), (Belle, KEK) Ostatnio: łamanie CP w rozpadzie D0 (LHCb). Niesprzeczne z mechanizmem łamania CP Kobayashi-Maskawy

Łamanie CP poprzez oddziaływania silne? Nie obserwuje się, choć właściwie nie wiadomo dlaczego: Tzw. człon θ w efektywnym Lagrangianie oddziaływań silnych pozwala na łamanie CP bez zmiany zapachu. Generuje elektryczne momenty dipolowe cząstek. dn<2.9∙10-26 ecm θ < 10-9 „Strong CP problem”

Inny mechanizm łamania symetrii CP w oddziaływaniu słabym? Ogólna postać Hamiltonianu oddziaływania słabego dla rozpadu n: Model Standardowy – oddziaływanie V-A, (CV= C’V=1, CA= C’A = λ = -1.27, reszta 0), ale eksperymentalne ograniczenia, np. na urojoną część sprzężenia skalarnego są na poziomie paru procent – a to wystarcza dla wyjaśnienia dominacji materii. Dokładniejsze ograniczenia na Ci – precyzyjniejsze testy proponowanych rozszerzeń Modelu Standardowego: Left-Right Symmetric Models, Leptoquark exchange, Supersymmetric Models. ...

Dlaczego neutron? Brak efektów związanych ze strukturą jądrową. Dokładnie znane elementy macierzy przejścia Fermiego i Gamowa-Tellera, MF = 1, MGT =√3. Niewielkie i możliwe do dokładniejszego policzenia poprawki na oddziaływanie w stanie końcowym, odrzut… Ładunek protonu 1 – małe oddziaływanie Kulombowskie. Brak efektów związanych z orbitalami elektronowymi. Niewielka asymetria rozpadu. Niewielka energia rozpadu.

Korelacje kierunkowe w rozpadzie neutronu Pp Jn (~885.7s) σT1 n -> p e νe + 782 keV - T p = - p σT2 T s = - s T J = - J A- współczynnik asymetrii (-0.1173) R, N – współczynniki korelacji

Korelacje kierunkowe w rozpadzie neutronu Pp Jn σT1 σT2 PDG: = -0.1188(7) = -0.1173(13) = -0.2377(25) = 0.9807(30) = -0.0004(6) = -0.103(4)

Korelacje kierunkowe w rozpadzie neutronu TRV PDG: = -0.1188(7) = -0.1173(13) = -0.2377(25) = 0.9807(30) = -0.0004(6) = -0.103(4) TRV

Dostępne źródła łamania T (R≠0) w Modelu Standardowym Zespolona faza δKM w macierzy CKM Nieleptonowe oddziaływania słabe Człon θ w efektywnym Lagrangianie oddziaływań silnych. Oddziaływanie w stanie końcowym.

Współczynniki korelacji N, R i oddziaływania „egzotyczne” Nigdy nie mierzone w rozpadzie neutronu. Model Standardowy (MS), oddziaływanie w stanie końcowym Można je wyliczyć (Jackson, 57): NFSI~0.0686∙10-4 RFSI~0.00066∙10-6 Poza MS: S, T – względny udział sprzężeń skalarnych i tensorowych Pomiar N: test detektora (Re(S), Re(T) znane). Zmierzenie R≠0 nowy mechanizm łamania T (CP) lub lepsze ograniczenie na wartości Im(CS) i Im(CT).

Pomiar korelacji R – czego potrzebujemy? Korelacja R Spolaryzowanych neutronów. Detektora elektronów (energia, pęd). Procesu analizującego polaryzację niskoenergetycznych elektronów (200-800keV): rozpraszanie Motta. nL nR nR > nL

Wiązka zimnych neutronów, SINQ, PSI Natężenie wiązki: 1.4x 1010 s-1 Maksymalna polaryzacja: 0.97 Średnia polaryzacja: ~0.80±0.008 Średnia prędkość: 900 m/s 16 cm 4 cm W ciągu sekundy, na metr: 25 K ~2meV 3x104 rozpadów neutronów 5x107 strat ...

Układ eksperymentalny, widok z góry V-track single-track

Wielodrutowe komory proporcjonalne Własności: Powierzchnia czynna: 50x50 cm2 Ilość płaszczyzn aktywnych: (5+5) x 2 Ilość drutów w płaszczyźnie: 96 Cechy specjalne: Mieszanka gazowa: 90%He 5%Isobuthan 5%Methylal Druty: Φ=25 µm, Ni/Cr (20/80), Odczyt anod (y) i katod (z), Folia okna: 2.5 µm Mylar

Hodoskop scyntylacyjny Materiał: BC408 Geometria: 6 pasków, 60x10x1 cm3 Odczyt: góra, dół: XP3330 – pozycja Energia: δE ~ 33keV @ 500 keV

Analizator polaryzacji - folia Motta Ołów, ~2μm, naparowany na 2.5μm Mylar 50x50 cm2 Wykonanie: ~22cm Pb

Odjęcie tła „energetycznego” Założenie: takie samo widmo tła z obszaru wiązki jak i spoza niego. Brak „sygnału” powyżej energi 850 keV. Normalizacja do wysokoenergetycznej części widma. E<750 keV E>850 keV

Po odjęciu tła - porównanie z symulacjami Zdarzenia proste rozproszeniowe (Single-tracks) (V-Tracks) eksperyment symulacje zliczenia Energia (keV) Energia (keV)

Odjęcie tła „Foil-out”, zdarzenia rozproszeniowe MWPC Pb Około 20% czasu - pomiar bez folii Motta (Pb) Względna normalizacja danych z folią i bez – do zsumowanego prądu wiązki scyntylator x x (mm)

Współczynniki korelacji N, R (1000) rok NSM RSM N R 2003 71 0.6 899240 -9014040 2004 68 0.6 748817 -14013030 2006 68 0.6 90338 -283622 2007 68 0.6 58125 11146 razem 62115 4125 Wszystkie wartości pomnożone przez 1000 !

Współczynniki korelacji N i R a stałe sprzężeń NFSI~0.0686∙10-4 RFSI~0.00066∙10-6 Wcześniejsze ograniczenia i nasz rezultat N = (62115)·10-3 R = (4125)·10-3

Co dalej Nowa wersja eksperymentu? dokładność poniżej RFSI=6*10-4 Zwiększenie długości układu eksperymentalnego o czynnik 4 (2m). Mocniejsza wiązka o lepszej polaryzacji. Geometria cylindryczna. Obniżone ciśnienie (~0.3 bara). Rozważane dwie możliwości: zimne i ultrazimne neutrony. 0.0 0.5 1.0 m Drift chamber (He+isobutane, 0.2-0.3 bar) Pb-foil scintillator CN beam MWDC

Podsumowanie Pierwszy pomiar korelacji kierunkowych R i N w rozpadzie neutronu zakończył się uzyskaniem wyniku R= (4125)*10-3 i N= (62115)*10-3 zgodnego z przewidywaniami Modelu Standardowego oraz symetrią względem odwrócenia kierunku czasu.

Współczynniki korelacji N i R a amplitudy wymiany leptokwarków spin 1 2/3 F f Q 1/3 H h Wcześniejsze ograniczenia i nasz rezultat LQ-wektorowe N = 62115 R = 4125

Minimalny Supersymetryczny Model Standardowy z łamaniem parzystości R

Oddziaływania „axialne” z korelacji kierunkowych a, A oraz czasu życia neutronu PDG2010

Planowane pomiary z dokładnością 10-4 abBA, UCNA, PERCEO III… Oddziaływania „axialne” z korelacji kierunkowych a, A oraz czasu życia neutronu A = -0.1188± 0.0007 a = -0.103± 0.004 PDG2010 +PERKEO II Planowane pomiary z dokładnością 10-4 abBA, UCNA, PERCEO III…

Test teorii V-A w granicy małych energii, udział Korelacja B Test teorii V-A w granicy małych energii, udział oddziaływania V+A (z lewoskrętnym neutrino) Aktualne wartości z PDG 0.995 ± 0.008