Status und Perspektiven - SNI-Portal

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

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. 46 Teilchen- und Hadronenphysik 47
Ausstrahlung der Forschung mit Neutronen in unser tägliches Leben 48 49
Seite 1 und 2: Forschung mit Neutronen in Deutschl
Seite 3 und 4: Vorbemerkung Das Komitee für die F
Seite 5 und 6: Roadmap Das Komitee für die Forsch
Seite 7 und 8: Wissenschaftliches Potential der Fo
Seite 9 und 10: Magnetisches Dipolmoment Das Neutro
Seite 11 und 12: Komplexität Die Strategie der Natu
Seite 13 und 14: Mögliche zukünftige Anwendungen:
Seite 15 und 16: Polymerdynamik in der Schmelze Im z
Seite 17 und 18: a b Neutronenforschung an komplexen
Seite 19 und 20: Cu-O-Ebenen zu verstehen, die wiede
Seite 21 und 22: Eingeschränkte Dimensionalität Di
Seite 23: Blick in das Innere von Nanoröhren
Seite 27 und 28: Mobilität Personen- und Güterverk
Seite 29 und 30: Erfolgschancen der Neutronentherapi
Seite 31 und 32: Stellung in der internationalen For
Seite 33 und 34: Nutzergemeinde, Zugang zu den Neutr
Seite 35 und 36: • Proposals für Experimente in J
Seite 37 und 38: Andere europäische Zentren 358 Mit
Seite 39 und 40: FRM-II Der FRM-II hat ein einziges
Seite 41 und 42: Gößere Detektorfläche Mit großf
Seite 43 und 44: Phasenraum: Volumen und Transformat
Seite 45 und 46: SNS In den Vereinigten Staaten wird
Seite 47 und 48: Ergebnisse der Nutzerumfrage Um ein

Status und Perspektiven - SNI-Portal

Erfolgreiche ePaper selbst erstellen

Template löschen?

Als Template speichern?