Voruntersuchungen zur Messung der schwachen Ladung des Protons im Rahmen des P2-Experiments
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
License
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 $sin^2(theta_text{W})$.