Detaljerad information för diarienr 2001-1951
		Besl. instans: NT Ämnesområde: Subatomär fysik & astrofysik Beslutsdat: 2001-11-16 Namn: Calen, Hans Titel: Doktor Kön: Man Univ./Institution: Uppsala universitet - Institutionen för fysik och astronomi Projekttitel: Lätta neutrala mesoners sällsynta sönderfall Project title: Rare decays of light neutral mesons Värdhögskola: Uppsala universitet SCB-klassificering: Elementarpartikelfysik, Kärnfysik Beviljat(SEK): Bidragsform/Finansieringskälla   2002   Projektbidrag/ Vetenskapsrådet, naturvetenskaplig-teknikvetenskaplig forskning   130000 Beskrivning: Genom att mäta lätta mesoners sönderfall kan man få insikter om kraftverkningar på kvark och leptonnivå. Pi- och eta-mesoner som är speciellt intressanta produceras i kollisioner mellan en stråle av protoner cirkulerande i CELSIUS-ringen och med små droppar av flytande väte som ”skjuts” genom strålen. Omkretsen av CELSIUS är åttio meter. Cirka 10 miljarder protoner accelereras upp till den önskade rörelseenergin, max 1360 miljoner elektronvolt, som svarar mot 90 procent av ljushastigheten. I de slumpvisa kollisionerna mellan protonerna och vätedropparna omvandlas en viss del av protonens rörelseenergi till massa; en neutral pi- eller eta-meson kan bildas. Pi-mesonen har en massa svarande mot energin 135 miljoner elektronvolt (MeV) och eta-mesonen har en massa svarande mot 549 MeV. Mesoner är normalt uppbyggda av en kvark och en antikvark och är alltså sammansatta av materia och antimateria på den mest fundamentala nivån. De elektriskt neutrala pi- och eta-mesonerna är speciella eftersom de består av en blandning av de naturligt förekommande kvarkarna u och d tillsammans med motsvarande antikvarkar. Eta-mesonen innehåller därutöver också till en viss del den tyngre kvarken s och dess antikvark. Genom att mäta hur snabbt och med vilken sannolikhet mesoner sönderfaller och vilka partiklar som uppstår i sönderfallen kan slutsatser dras om fenomen på kvarknivån. En eta-meson med en livstid på en attosekund kan exempelvis på grund av symmetriskäl sönderfalla i två fotoner men inte i tre fotoner, i tre pi-mesoner men inte i två pi-mesoner. Det senare sönderfallet är förbjudet på grund av att det inte är CP-symmetriskt. Sönderfall i tre pi-mesoner ger information om u- och d-kvarkens massor. Om ett tänkt sönderfall betraktas i en spegel och dess sannolikhet är lika med det speglade sönderfallet bevaras pariteten, P. Om alla partiklar, ursprungspartikel och sönderfallspartiklar, byts mot antipartiklar eller vice versa och sönderfallssanolikhten därvid består bevaras laddningskonjugeringssymmetrin, C. Om tidsflödet i en process vänds och sannolikheten för den tidsomvända processen är oförändrad bevaras tidsomvändningssymmetrin, T. Då partiklar sönderfaller under inverkan av de tre naturkrafterna - den svaga, den starka och den elektromagnetiska kraften - är de tre symmetrierna C, P och T i regel satisfierade. Undantagna är sönderfall som aktiveras genom den svaga kraften, exempelvis betasönderfall. I betasönderfall bevaras icke P. Samtidigt brott av C och P, CP-brott, har endast kunnat konstateras i sönderfall av neutrala K-mesoner i två pi-mesoner. Den så kallade standardmodellen som beskriver krafterna mellan kvarkar och leptoner förutsätter att C och CP bevaras i elektromagnetisk och stark växelverkan. I det föreslagna projektet kommer mycket stringenta tester att göras hur väl symmetrilagar är uppfyllda vid eta-mesoners sönderfall. Ett exempel är en eta-mesons omvandling till en pi-meson, en elektron och en anti-elektron (positron). Enligt Standardmodellen tillåts inte det sönderfallet eftersom det skulle innebära ett CP-brott. Målet är att förbättra den nu övre mätta gränsen för detta sönderfall från en tiotusendel till en hundramiljontedel. Bland mycket sällsynta sönderfall är de i vilka pi- och eta-mesoner omvandlas i positron-elektronpar och eta-mesoner omvandlas i myon-antimyonpar. Myonen är en elementarpartikel som är 200 gånger tyngre än elektronen men i övrigt beter sig en elektron som en myon. De sönderfallen beräknas utgöra mellan en tiomiljontedel och en hundramiljontedel av alla sönderfall och lämpar sig väl för kritiska tester av elektromagnetisk kraftverkan. Vidare är de känsliga för exotiska effekter. En förhöjd sönderfallssannolikhet skulle kunna härröra från en flerstegsprocess; mesonens byggstenar kvark och antikvark, omvandlas i ett mellansteg till en eller ett par tunga partiklar som inte kan förklaras med standardmodellen och som mycket snabbt ombildas till de partikelpar som mäts. Sådana exotiska tunga partiklar skulle kunna vara leptokvarkar, exempelvis en hybrid av en elektron och en kvark, eller så kallade supersymmetriska partiklar. De partiklar som bildas i de olika sönderfallen liksom de spridda och rekylerande protonerna mäts i en universaldetektor kallad WASA. Med WASA kan protoner, laddade pi-mesoner, myoner, elektroner och fotoner mätas med hög precision oavsett den riktning längs vilken de emitteras från emissionspunkten, korsningen mellan vätedropparna och de cirkulerande protonerna.