Neutron Betazerfall und Suche nach Abweichungen vom Standardmodell

Trotz des Erfolges des Standardmodells (SM) wird dieses als unvollständig und als Teil eines umfassenderen physikalischen Rahmens angesehen. Das Neutron ist ein System, welches ideal dazu geeignet ist die Grenzen des SM auszuloten und Hinweise für neue Physik aufzuspüren. Der Neutron Betazerfall und seine Untersuchung gehören zum Bereich der Hochpräzisions-Elementarteilchenphysik, welche im Stande ist ein Versagen des SM aufzuzeigen ohne die neue Physik direkt zu spezifizieren im Gegensatz zu den Hochenergie-Experimenten. Mittels des Neutronzerfalls kann man das Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrixelement V_ud durch präzisere Messungen der Hauptobservablen, der Lebensdauer des Neutrons und den Zerfalls-Korrelationskoeffizienten, bestimmen. Der Neutronzerfall ist auch sensitiv bezüglich möglicher rechtshändiger Ströme, skalaren und Tensortermen in der schwachen Lepton-Nukleon Wechselwirkung, der Zeitumkehrverletzung und, unter Verwendung der CPT Invarianz, auch sensitiv bezüglich der CP Verletzung. Die Neutron Lebensdauer ist auch von zentraler Bedeutung im Modell der Entwicklung des Universums. Experimente zum Neutronzerfall mit höherer Präzision müssen von einer theoretischen Analyse welche höhere Korrekturen, bzw. Beiträge von "kleineren Effekten" beinhaltet, ergänzt werden. Gegenwärtig wird eine neue Reihe von Experimenten im Rahmen des DFG/FWF Schwerpunktprogrammes 1491 "Präzisionsexperimente zur Teilchen- und Astrophysik mit kalten und ultrakalten Neutronen" und der Arbeitsgruppe von Prof. Serebrov am Petersburg Nuclear Physics Institute (PNPI) in Gatchina geplant, welche neue Standards für Messgrössen für den Betazerfall des Neutrons setzen sollen. Für die Abstimmung der experimentellen Geräte werden neue theoretische Daten benötigt, beispielsweise für die Kalibrierung der Geometrie der Winkelverteilung der geladenen Teilchen im Endzustand des Neutronzerfalls um die Genauigkeit der Messungen zu erhöhen. Aufgrund dieser engen Verbindung zwischen Theorie und Experiment wurde dieses "Joint Project" zwischen den experimentellen Gruppen des Schwerpunktprogrammes und von Prof. Serebrov sowie der theoretischen Gruppe unter der Leitung von Dr. Pitschmann initialisiert. Das Hauptziel der Untersuchungen des theoretischen Teils liegt in der Untersuchung des Strahlungs-Betazerfalls des Neutrons. Der Endzustand dieses Zerfallskanals enthält zusätzlich zum Proton, Elektron und Antineutrino auch noch ein niederenergetisches Photon. Die besondere Bedeutung dieser Analyse liegt darin, dass in allen Experimenten zur Messung der Lebenszeit des Neutrons und der Korrelationskoeffizienten die Unterscheidung von Beiträgen des gewöhnlichen Kontinuums- Betazerfalls und jenen des Strahlungs-Betazerfalls nicht möglich ist. Unter Verwendung von Resultaten der "Heavy-Baryon Chiral Perturbation Theory" zum "branching ratio" des Strahlungszerfalls und dem experimentellen Wert zur Lebensdauer des Neutrons erhält man eine untere Grenze zur Lebensdauer des Kontinuumszerfalls, welche lediglich zu drei Standardabweichungen mit dem derzeitigen theoretischen Wert übereinstimmt. Deshalb ist ein besseres Verständnis der Zerfallsrate des Strahlungs-Betazerfalls von großer Bedeutung, da es ein Fenster zu neuer Physik öffnet, welche tatsächlich durch experimentelle Daten zur Lebensdauer des Neutrons und der Korrelationskoeffizienten des Elektron-Energiespektrums bestimmt wird. Dieses "Joint Project" ist eine einzigartige Möglichkeit theoretische und experimentelle Daten mit dem selben Grad an Genauigkeit zu vergleichen, was erstmals eine tatsächliche Suche nach möglichen Abweichungen vom Standardmodell erlaubt.

Trotz des Erfolges des Standardmodells der Elementarteilchenphysik wird dieses als unvollständig und als Teil eines umfassenderen physikalischen Rahmens bei höheren Energien angesehen. Das Neutron ist ein System, welches ideal dazu geeignet ist die Grenzen des Standardmodells auszuloten und Hinweise für neue Physik aufzuspüren. Der Neutron-Betazerfall und seine Untersuchung gehören zum Bereich der Hochpräzisions-Elementarteilchenphysik, welche im Stande ist ein Versagen des Standardmodells aufzuzeigen ohne die neue Physik direkt zu spezifizieren im Gegensatz zu den Hochenergie-Experimenten.Die entsprechenden Messgrößen beim Neutron-Zerfall sind die Lebensdauer des instabilen Neutrons, welche auch eine zentrale Rolle im Modell der Entwicklung des Universums spielt, sowie die Winkelverteilungen seiner Zerfallsprodukte, welche auch Korrelationskoeffizienten genannt werden. Das Standardmodell liefert zu all diesen Messgrößen präzise Vorhersagen. Jegliche Abweichung von diesen Vorhersagen weist somit auf eine Abweichung der zugrundeliegenden Theorie, also des Standardmodells, hin. Werden Experimente zum Neutron-Zerfall mit höherer Präzision durchgeführt, muss zu deren Interpretation auch die theoretische Analyse mit entsprechend höherer Präzision durchgeführt werden, d.h. sie muss durch höhere Korrekturen, welche Beiträge von "kleineren Effekten" beinhaltet, ergänzt werden. Es sind eine neue Reihe von Experimenten im Rahmen des DFG/FWF Schwerpunktprogrammes 1491 "Präzisionsexperimente zur Teilchen- und Astrophysik mit kalten und ultrakalten Neutronen" und der Arbeitsgruppe von Prof. Serebrov am Petersburg Nuclear Physics Institute (PNPI) in Gatchina, durchgeführt worden, welche neue Standards für Messgrößen für den Betazerfall des Neutrons gesetzt haben. Für die Abstimmung der experimentellen Geräte wurden hierzu neue theoretische Daten benötigt. Aufgrund dieser engen Verbindung zwischen Theorie und Experiment wurde dieses "Joint Project" zwischen den experimentellen Gruppen des Schwerpunktprogrammes und Prof. Serebrov sowie der theoretischen Gruppe unter der Leitung von Dr. Pitschmann initialisiert. Das Hauptziel der Untersuchungen des theoretischen Teils lag in der Untersuchung des Strahlungs-Betazerfalls des Neutrons. Hierbei sind in den Zerfallsprodukten des Neutrons zusätzlich zum Proton, Elektron und Antineutrino auch noch ein niederenergetisches Photon vorhanden. Mögliche Abweichungen durch neue Physik wurden durch phänomenologische Kopplungskonstanten berücksichtigt, welche eine Untersuchung solcher Abweichungen gestattet, die komplett unabhängig von den detaillierten hypothetischen Modellen zur Beschreibung der neuen Physik bei hohen Energien ist. In diesem "Joint Project" wurden erstmals theoretische und experimentelle Daten mit demselben Grad an Genauigkeit durchgeführt, was erstmals eine tatsächliche Suche nach möglichen Abweichungen vom Standardmodell erlaubt hat.