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Teilchen- und Hadronenphysik
mit langsamen Neutronen
Teilchen- und Kernphysik mit langsamen Neutronen liefern
wesentliche Beiträge zum Verständnis der materiellen
Grundlagen unserer Existenz. Die Fragestellungen
reichen dabei von den fundamentalen Wechselwirkungen
bis hin zur Entstehung der Elemente im Urknall
und in Supernovaexplosionen. Neutronen werden dazu
einerseits als Studienobjekt verwendet, andererseits als
Sonde in Kernreaktionen und Streuprozessen.
An den Grenzen des Standardmodells
Hauptziel der Teilchenphysik ist es, alle Kräfte der
Natur aus einem vereinigenden Symmetrieprinzip abzuleiten,
was zur theoretischen Vorhersage neuer Teilchen
führt. In der Hochenergiephysik wird versucht, diese
Teilchen direkt zu erzeugen. In komplementären Präzisionsexperimenten
bei niedriger Energie sucht man
hingegen nach kleinsten Verletzungen grundlegender
Symmetrien als experimentelle Signatur neuer Physik.
Exemplarisch für diesen Ansatz in Experimenten mit
langsamen Neutronen zur Teilchenphysik steht die
Suche nach einem nicht verschwindenden elektrischen
Dipolmoment des Neutrons. Die während der letzten
50 Jahre stetig vorangetriebenen Verbesserungen haben
jetzt eine Empfi ndlichkeit von 10 -23 eV auf die Wechselwirkungsenergie
des Neutrons mit externen Feldern
erreicht. Als Frequenz ausgedrückt entspricht dies
wenigen Spinpräzessionen pro Jahr. Diese Suche hat
bislang mehr theoretische Szenarien zur Erweiterung
des Standardmodells ausgeschlossen als jedes andere
Experiment. Die große Bedeutung der Messgröße
besteht darin, dass sie die Symmetrie fundamentaler
Wechselwirkungen zwischen Materie und Antimaterie
verletzt, die sogenannte CP-Symmetrie. In der Teilchenphysik
mit Beschleunigern konnten derartige Prozesse
für neutrale Kaonen und B-Mesonen identifiziert werden.
Die Stärke der darin gefundenen CP-Verletzung
genügt jedoch nicht zur Beantwortung der Frage, warum
man im Universum so viel Materie fi ndet und nicht
ein Großteil davon kurz nach der Geburt des Universums
mit Antimaterie zerstrahlt ist. Zur Lösung dieses
kosmologischen Rätsels wird eine weitaus größere
CP-Verletzung benötigt als bislang beobachtet.
Zeitumkehr
Über ein grundlegendes Theorem der Teilchenphysik
entspricht die CP-Verletzung auch einer Verletzung
der Symmetrie fundamentaler Prozesse bezüglich der
Richtung der Zeit, der sogenannten Zeitumkehr- oder
T-Invarianz. Neben dem elektrischen Dipolmoment
bieten langsame Neutronen zur Suche nach derartigen
Prozessen eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten:
untersucht werden zwei T-verletzende Observablen
im Zerfall freier Neutronen sowie Observablen in
Neutronen-induzierten Kernreaktionen und in der
Neutronenoptik. Kennzeichnend ist, dass die verschiedenen
Messgrößen unterschiedliche Mechanismen
der T-Verletzung testen. Damit sind sie nicht nur zur
Hochenergiephysik, sondern auch untereinander, komplementär.
Ursprung der Elemente
Während Experimente zur Verletzung der Zeitumkehrinvarianz
auf Eigenschaften fundamentaler Wechselwirkungen
noch vor Ablauf der ersten Mikrosekunde
nach dem Urknall empfi ndlich sind, können Neutronen
auch auf die Frage nach dem Ursprung der chemischen
Elemente wesentliche Beiträge liefern. Auch hierfür
stehen sehr vielfältige Observablen zur Verfügung.
Eine Schlüsselgröße zum Verständnis der relativen
Häufi gkeiten der leichten Elemente nach dem Urknall
ist die Lebensdauer des freien Neutrons, das sich durch
radioaktiven Zerfall in ein Proton, ein Elektron und ein
Antineutrino umwandelt. Sie bestimmt die Stärke der
schwachen Prozesse. Nach etwa einer Sekunde konnte
in der Ursuppe das thermische Gleichgewicht zwischen
Neutronen und Protonen durch schwache Prozesse nicht
mehr aufrecht erhalten werden. Neutronen begannen
frei zu zerfallen, verbunden mit einer Nettoerzeugung
von Protonen. Diese kam erst nach etwa drei Minuten
zum Stillstand, als die Temperatur des Universums so
weit abgesunken war, dass das Deuteron nicht länger
durch energiereiche Photonen dissoziiert - und damit
zu einem stabilen Atomkern - wurde. Beobachtungen
primordialer Elementhäufi gkeiten und Simulationen der
Elemententstehung in der Frühzeit des Universums sind
mittlerweile derart genau, dass genauere Messungen
der Neutronenlebensdauer sowie einiger Reaktionsquerschnitte
benötigt werden.
Schwache Wechselwirkung
Die Bildung von Deuterium und schwereren Elementen
im normalen Brennvorgang in Sternen wird durch die
Kopplungskonstanten der schwachen Wechselwirkung
des Nukleons bestimmt, die man mit Hilfe weiterer
Observablen im Neutronzerfall misst. Die Produktion
von Elementen schwerer als Eisen ist durch Fusionsprozesse
nicht möglich, sondern geschieht in Supernovaexplosionen
und anderen kosmischen Katastrophen
durch eine Reaktionskette aus sukzessiven Neutroneneinfängen
und Betazerfällen. Die relativen Häufi gkeiten
der verschiedenen Elemente hängen dabei auch von
Einfangsquerschnitten und Betazerfallszeiten extrem
neutronenreicher Kerne ab, die mittels Kernspektroskopie
von Fragmenten aus der Kernspaltung untersucht
werden können. Diese Studien treffen auf theoretische
Bemühungen, zu einer einheitlichen Beschreibung der
Kernphysik als eine effektive Feldtheorie auf Grundlage
der fundamentalen starken Wechselwirkung zu gelangen.
Damit sollen modellunabhängige Vorhersagen der
Eigenschaften auch bislang noch unerforschter exotischer
Kerne ermöglicht werden. Zur weiteren Entwicklung
- und zum Test dieser theoretischen Ansätze
- werden auch verbesserte Präzisionsmessungen an
neutroneninduzierten Reaktionen in Systemen weniger
Nukleonen benötigt.
Phasenübergänge des Universums
und Messgrößen von Neutronenexperimenten
Temperatur
10 19 GeV
10 -11 GeV
Neue Physik
Planck
EDM
--GUTs--
Standardmodell
Inflation
Elektroschwacher
Chiraler Übergang
Ausfrieren v. Neutron + Proton
Atomkernausfrieren
10 -43 s 10 -35 s 10 -12 s 1 s 10 5 a 10 9 a heute
Zeit
Atomares Ausfrieren
Galaktisches Ausfrieren
Abb 2.44. Phasenübergänge des Universums über einer Zeitskala beginnend mit dem Urknall. Markiert sind Observablen,
die durch Experimente mit Neutronen gewonnen werden können.
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