Authors:	Becker, Dominik
Title:	Voruntersuchungen zur Messung der schwachen Ladung des Protons im Rahmen des P2-Experiments
Online publication date:	13-Aug-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Eine der zentralen Herausforderungen der heutigen Physik ist die Suche nach Erweiterungen des Standardmodells der Kern- und Elementarteilchenphysik. Die direkte Suche nach Neuer Physik wird im Rahmen von Hochenergieexperimenten durchgeführt, wie sie etwa am Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire(CERN) stattfinden. Eine weitere, hierzu komplementäre Möglichkeit der Suche nach Effekten Neuer Physik besteht in der akkuraten und präzisen Bestimmung zentraler Parameter des Standardmodells: Hypothetische Erweiterungen des Strandardmodells sagen Abweichungen der Werte zentraler Theorieparameter vorher, die nur im Rahmen von Präzisionsexperimenten beobachtet werden können. Einer dieser zentralen Parameter des Standardmodells ist der elektroschwache Mischungswinkel $theta_text{W}$, der häufig auch als Weinbergwinkel bezeichnet wird. Am Institut für Kernphysik der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz wird seit Anfang 2012 das P2-Experiment vorbereitet, das am neuen Elektronenbeschleuniger glqq{}Mainz Energy recovering Superconducting Acceleratorgrqq{} (MESA) durchgeführt werden wird. Das Ziel der P2-Kollaboration ist es, die weltweit präziseste Messung der schwachen Ladung des Protons $Q_text{W}(text{p})$ bei niedrigen Impulsüberträgen auszuführen. Im Standardmodell hängt $Q_text{W}(text{p})$ von $sin^2(theta_text{W})$ ab und besitzt eine hohe Sensitiviät auf geringe Abweichungen des Weinbergwinkels von dessen Wert im Standardmodell. Eine genaue Messung von $Q_text{W}(text{p})$ bei niedrigem Impulsübertrag stellt somit einen präzisen Test des Standardmodells dar. Die Bestimmung von $Q_text{W}(text{p})$ wird im P2-Experiment durch eine Präzisionsmessung der paritätsverletzenden Asymmetrie $A^text{PV}_text{ep}$ im Wirkungsquerschnitt der elastischen Elektron-Proton-Streuung bei niedrigem negativen Viererimpulsübertragsquadrat $Q^2 = SI{4,8e-3}{(GeV/c)^2}$ erfolgen. Man erwartet im P2-Experiment eine sehr kleine Asymmetrie von $A^text{PV}_text{ep} approx num{-3e-8}$; hieraus leiten sich hohe Anforderungen an den Elektronenstrahl von MESA sowie den Messaufbau des Experiments ab. Im Rahmen der Dissertation wird ein Konzept für den Messaufbau des P2-Experiments entwickelt. Hierzu wird zunächst eine zur präzisen Extraktion von $sin^2(theta_text{W})$ geeignete Kinematik der elastischen Elektron-Proton-Streuung bestimmt. Anschließend wird die Entwicklung verschiedener Messaufbau-Konzepte mithilfe von Simulationen der Bahnkurven von Elektronen in toroidalen und solenoidalen Magnetfeldern skizziert. Schließlich wird die Durchführbarkeit der Asymmetriemessung mit dem geplanten Messaufbau unter Beweis gestellt. Dies geschieht mittles Monte Carlo-Simulationen der physikalischen Prozesse im P2-Experiment. Mithilfe der Simulationsergebnisse wird gezeigt, dass man $Q_text{W}(text{p})$ im P2-Experiment mit einer relativen Unsicherheit $leq SI{3,65}{percent}$ bestimmen kann. Hierzu korrespondiert eine relative Unsicherheit von $leq SI{0,17}{percent}$ bei der Bestimmung von $sin^2(theta_text{W})$. One of the main challenges of modern Physics lies in the search for extensions of the Standard Model of Nuclear and Particle Physics. The direct search for New Physics is conducted in the course of high energy experiments as carried out at the Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire(CERN). Another method of searching for New Physics' effects complementing high energy searches is to perform accurate and precise determinations of the Standard Model's central theory parameters: Hypothetical extensions of the Standard Model predict deviations of central theory parameters, which may only be observed in high precision experiments at low energy scales. One of these central theory parameters is the electroweak mixing angle $theta_text{W}$, which is often referred to as the Weinberg Angle. At the Institute for Nuclear Physics of the Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, the P2-experiment has been in preparation since early 2012. The experiment will be conducted at the new "Mainz Energy recovering Superconducting Accelerator" (MESA). The goal of the P2 Collabration is to perform the world's most precise measurement of the proton's weak charge $Q_text{W}(text{p})$ at low momentum transfer. In the Standard Model, $Q_text{W}(text{p})$ is related to $sin^2(theta_text{W})$ and posesses a high sensitivity to small deviations of $sin^2(theta_text{W})$ from it's predicted value. A precise measurement of $Q_text{W}(text{p})$ at low momentum transfer therefore provides a strong test of the Standard Model. In the P2-experiment, the experimental method to determine $Q_text{W}(text{p})$ comprises a high precision measurement of the parity violating asymmetry $A^text{PV}_text{ep}$ in the cross section of elastic electron-proton scattering at low $Q^2 = SI{4,8e-3}{(GeV/c)^2}$. One expects a tiny asymmetry of $A^text{PV}_text{ep} approx num{-3e-8}$, which results in high demands on the new accelerator's beam properties and the measurement apparatus of the experiment. In the course of this thesis, a concept for the measurement apparatus of the P2-experiment is derived. First, a suitable kinematic region of elastic electron-proton scattering for a precise extraction of $sin^2(theta_text{W})$ is determined. Next, various concepts for the experimental setup are studied using simulations of electron trajectories in toroidal and solenoidal magnetic fields. For the concept chosen by the P2-Collaboration, the feasibility of the asymmetry measurement is proven. This is done using Monte Carlo-simulations of the physics processes in the P2-experiment. Based on the results of these simulations, it is shown that $Q_text{W}(text{p})$ can be measured with a relative uncertainty of $leq SI{3,65}{percent}$ in the experiment. To this corresponds a relative uncertainty of $leq SI{0,17}{percent}$ in the determination of $sin^2(theta_text{W})$.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3737
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000030599
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	256 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen