Protonzerfall
Stephan Kreppner
Seminar zur Teilchenphysik und Astrophysik
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Übersicht
1. Einleitung
2. Theorie
3. Zerfallsgesetz
4. Experimente
 Aufbau
 Analyse
 Resultate
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1. Einleitung
Geschichte des Protons
• Demokrit: Atome (gr. atomos) sind unteilbar.
• Sir Joseph John Thomson (Nobelpreis 1906),
1905: Entdeckung des Elektrons
• Ernest Rutherford (Nobelpreis für Chemie 1908),
1911: Entdeckung des Atomkerns und Namengebung für das Proton (gr. prtoi = „das erste“)
• James Chadwick (Nobelpreis 1935), 1932:
Entdeckung des Neutrons
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
Fünf Wechselwirkungen:
–
–
–
–
–
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Elektrische WW
Magnetische WW
Schwache WW (radioaktiver Zerfall)
Starke WW (Anziehung der Nukleonen)
Gravitation
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
Gelungene Vereinheitlichungen:
– James Clark Maxwell, 1873: Vereinheitlichung von
elektrischer und magnetischer WW zur elektromagnetischen WW
 nur noch vier (fundamentale) WW
– Sheldon Lee Glashow, Abdus Salam, Steven
Weinberg 1971 (Nobelpreis 1979): Vereinheitlichung von
elektromagnetischer und schwacher WW zur elektroschwachen WW
 nur noch drei WW: elektroschwach, stark und gravitativ
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
Gescheiterte Vereinheitlichungen:
– Albert Einstein (Nobelpreis 1921): Versuch, Gravitation
und Elektrodynamik zu vereinheitlichen
– Werner Karl Heisenberg (Nobelpreis 1932): Aufstellung
einer Feldgleichung für eine vereinheitlichte Theorie der
Elementarteilchen (sog. Nichtlineare Spinortheorie)
– Karl Friedrich von Weizsäcker: vereinheitlichte Theorie
für sog. Urteilchen
– und viele mehr ...
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
Erhoffte Vereinheitlichungen:
– Formulierung einer Großen Vereinheitlichten Theorie
(Grand Unified Theory, GUT): Vereinheitlichung von
elektroschwacher und starker WW
 nur noch zwei WW
– Formulierung einer Theorie für Alles (Theory of
Everything, TOE): Vereinheitlichung der
elektroschwachen, starken und gravitativen WW
 nur noch eine einzige WW
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
Elektroschwache Vereinheitlichung:
SU(2)L  U(1)
keine Übergänge Lepton - Quark, aber Übergänge in den
einzelnen Lepton- und Quarkfamilien (Baryonen- und
Leptonenzahlerhaltung)
e
e–
Neutronzerfall:
d
d
u
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W–
u
d
u
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
Weinbergwinkel:
4 Austauschbosonen der schwachen WW: W+, W-, W0 und B0
1 Austauschboson der elektromagnetischen WW: 
W0 und B0 aber nicht beobachtbar:
    cosW sinW  B0 
 0 
  0   
 Z    sinW cosW  W 
Weinbergwinkel ist im Standardmodell ein freier Parameter, der nur
gemessen werden kann. sin2W = 0,23124  0,00024
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
GUT: neue große Symmetriegruppe
G  SU(3)C  SU(2)L  U(1), die einfachste ist eine SU(5)
Vorhersagen einer GUT:
- Weinbergwinkel wird vorhergesagt (sin2W = 3/8)
- Quantisierung der Ladung
- magnetische Monopole
- kleine Neutrinomassen
- neue „leptoquark“ Bosonen X (Q = +4/3) und Y (Q = +1/3) führen
zu Übergängen zwischen Leptonen und Quarks
Folge: Protonzerfall
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2. Theorie
Warum überhaupt Protonzerfall?
Protonzerfall: z.B. p  e+ + 0 (Verzweigunsverhältnis
ca. 45%)
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1 M
Lebensdauer des Protons: p  2  X5  4,5 · 1030 a
 mp
mit MX = 5 · 1014 GeV (Masse des X-Bosons)

1
3
2
3
2
3
d
u
u
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X
e+
u 0

u
1

2
3
2
3
u
d
u
Y
e+
u 0

u
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3. Zerfallsgesetz
Zerfall:
N = N0  e

t

 p = t ln
N
N - dN
dN
= t ln 0
= t ln(1- )
N0
N0
N0
1
dN
Zerfallsbreite:  =
=
N0 t   p
t: Meßzeit N0: anfängliche Anzahl
: Detektoreffizienz
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dN: zerfallene Anzahl
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4. Experimente
Übersicht
Tracking-Kalorimeter-Detektor
–
–
–
–
Soudan (Soudan Mine, Minnesota)
KGF („Kolar Gold Field“, Indien): 60 t Fe
Nusex (Mont Blanc Tunnel): 100 t Fe (5,0 · 1029 p)
Fréjus (Fréjus Tunnel, Grenze Frankreich - Italien): 500 t Fe
Wasser-Čerenkov-Detektor
– IMB („Irvine Michigan Brookhaven“, Cleveland, Ohio): 3,3 kt H2O
– HPW (Park City, Utah): 560 t H2O (1,0 · 1031 p)
– Superkamiokande (Kamioka, Japan): 32,5 kt H2O
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4. Experimente
Fréjus
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4. Experimente
Fréjus
Gesamtmasse: 900 t
Detektor: Blitzkammer mit 70% Ne und
30% He (funktioniert wie ein GeigerZähler) und Geiger-Zählern
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4. Experimente
Fréjus
Protonzerfall in 500 t Fe (3 mm dünne Platten)
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4. Experimente
Superkamiokande
Innerer Detektor
Äußerer Detektor
Gebaut für die Detektion von atmosphärischen -Oszillationen
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4. Experimente
Superkamiokande
Blick in den Detektor
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4. Experimente
Superkamiokande
Bilder der zerstörten Photomultiplier vom 17. November 2001
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4. Experimente
Superkamiokande
Analyse:
p  e+ + 0:
Teilchen-Identifikation
2 oder 3 e–-ähnliche Ringe
und kein -ähnlicher
900 MeV/c2 < invariante
Masse < 1.000 MeV/c2
Gesamtimpuls < 300 MeV/c
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p  + + 0:
Teilchen-Identifikation
1 oder 2 e–-ähnliche Ringe
und 1 -ähnlicher
900 MeV/c2 < invariante
Masse < 1.000 MeV/c2
Gesamtimpuls < 300 MeV/c
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4. Experimente
Superkamiokande
Monte Carlo Simulation mit sehr langer Beobachtungszeit zum Test
der Analysemethoden.
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4. Experimente
Superkamiokande
pe +
+
0
Atmosphärische Neutrinos
Analyse der MC Simulationen für p  e+ + 0 und atm. Neutrinos
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4. Experimente
Superkamiokande
p  e+ +  0
p  + + 0
Analyse der Messungen für p  e+ + 0 und p  + + 0
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4. Experimente
Superkamiokande
Messungen für p  e+ + 0 und p  + + 0:
Masse des Detektors: 32,5 kt ( 6,0 · 1032 Protonen)
Meßzeit: 784,9 Tage
Meßergebnisse:
p  e+ + 0: 2,59 · 1033 a
p  + + 0: 2,07 · 1033 a
(confidence limit jeweils 90%)
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4. Experimente
Ergebnisse für p  e+ + 0
Tracking-Kalorimeter-Detektor
–
–
–
–
Soudan: 1,3 · 1030 a
KGF: 5,8 · 1030 a
Nusex: 1,5 · 1031 a
Fréjus: 7 · 1031 a
Wasser-Čerenkov-Detektor
– IMB: 5,4 · 1032 a
– HPW: 1,3 · 1030 a
– Superkamiokande: 2,59 · 1033 a
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4. Experimente
Übersicht über die Ergebnisentwicklung von p  e+ + 0
1E+34
Fréjus
IMB
KGF
Nusex
Soudan
(Super-)Kamiokande
1E+33
J
a
h
r
e
1E+32
1E+31
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1998
1997
1996
1995
1994
1993
1992
1991
1990
1989
1988
1987
1986
1985
1984
1983
1E+29
1982
1E+30
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Übersicht über alle Zerfallskanäle
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Literatur
•
Josef Honerkamp: Von fundamentalen Wechselwirkungen und vereinheitlichten Theorien, Vortrag anlässlich des Empfangs der Emeriti der AlbertLudwigs-Universität Freiburg am 05. Mai 1993
•
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/, Superkamiokande, Universität Tokio
•
Annual Review of Nuclear and Particle Science 1984, 34: Proton Decay
Experiments
•
Brett Michael Viren: A Search for the Decay of Protons to e+0 and +0,
Dissertation, State University of New York at Stony Brook, 2000
•
Christoph Berger: Elementarteilchenphysik, Springer 2000
•
Physical Review D Part I, 2002
•
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A262, 1987: The
Fréjus Nucleon Decay Detector
•
Donald Perkins: Hochenergiephysik, Addison-Wesley 1991
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