Puzzling Neutron: A Window to Dark Matter? Puzzling Neutron: A Window to Dark Matter? A Detective Story in three parts A Detective Story in three parts Zurab Berezhiani Summary Preliminaries Chapter I: Into Zurab Berezhiani the Darkness Chapter II: In and out of University of L’Aquila and LNGS Darkness Chapter III: Shining from the BSM: Where do we go from here? GGI, Florence, 2-8 Sept. 2018 Darkness Appendices
Contents Puzzling Neutron: A Window to Dark Matter? A Detective Story in three parts Preliminaries 1 Zurab Berezhiani Summary Chapter I: Into the Darkness 2 Preliminaries Chapter I: Into the Darkness Chapter II: In and out of Darkness 3 Chapter II: In and out of Darkness Chapter III: Chapter III: Shining from the Darkness 4 Shining from the Darkness Appendices Appendices 5
Preliminaries Puzzling Useful information Neutron: A Window to Dark Matter? A Detective Story in three Neutrons – long known particles making 50% of parts Zurab Berezhiani atomic mass in our bodies ... Summary Preliminaries They are stable in nuclei but decay in free state Chapter I: Into the Darkness as n ! pe ¯ ν e and in unstable nuclei ( β -decay) Chapter II: In and out of Darkness Fermi Theory of V-A form conserving baryon number – Standard Model Chapter III: Shining from the Darkness G F | V ud | p (1 � g A γ 5 ) γ µ n ν e (1 � γ 5 ) γ µ e p Appendices 2 Yet, we do not know well enough its decay features and lifetime
The lifetime puzzle Puzzling PARTICLE PHYSICS th the th Neutron: A the Window to Dark Matter? A Detective eutr neu utron Story in three eutr parts Zurab Berezhiani n � g en � g � gma n � gm Summary Preliminaries Chapter I: Into ���� ���������������� �������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������� the Darkness ������������������������������������������������������������� ����������������������������������������������������� Chapter II: In Peter Geltenbort ��������� ���������������������������� and out of ������������������������������������������������� ����������������������������������������������������� ����������������������������������������������������� Darkness ���������������������������������������������������� ���������������������������������������������������� Chapter III: Shining from the Two precision experiments disagree on how long Darkness neutrons live before decaying. Does the discrepancy re f ect Appendices measure ment errors or point to some deeper mystery? By Geo f rey L. Greene and Peter Geltenbort I N B R I E F The best experiments in the world cannot agree on how ious intervals, and beam experiments look for the parti- long neutrons live before decaying into other particles. cles into which neutrons decay. Two main types of experiments are under way: bottle Resolving the discrepancy is vital to answering a number traps count the number of neutrons that survive after var- of fundamental questions about the universe. April 2016, ScientificAmerican.com 37 Illustration by Bill Mayer
Two methods to measure the neutron lifetime Puzzling Neutron: A The Beam Method Window to Dark In contrast to the bottle method, the beam technique looks not for neutrons Matter? but for one of their decay products, protons. Scientists direct a stream Fill with ������������������������������������������������������������������ ����� A Detective neutrons and ring-shaped high-voltage electrodes. The neutral neutrons pass right Story in three through, but if one decays inside the trap, the resulting positively charged parts protons will get stuck. The researchers know how many neutrons were in Count #1 the beam, and they know how long they spent passing through the trap, Zurab Berezhiani Count #2 so by counting the protons in the trap they can measure the number of ��������������������������������������������������������� ������ Count #3 neutrons that decayed in that span of time. This measurement is the decay rate, which is the slope of the decay curve at a given point in time and Summary which allows the scientists to calculate the average neutron lifetime. ������������������������������������������������������� �������� Preliminaries Neutron beam Electrodes Proton Chapter I: Into (known intensity) the Darkness passes through #1 + – + ������� ������������������������������������������������������ Chapter II: In and out of Number Darkness #2 of neutrons #3 Trap observed Chapter III: Count the number of decays within the time interval Time Shining from the Darkness The Bottle Method Appendices ������������������������������������������������� ��������������������� ���������������������������������������������������������������������� ��������������������������������������������� ��������������������������������� Measured slope ����������������������������������������������������������������������������� ������������������������������������������������������������������������� Number of ����������������������������������������������������������������������������� neutrons going ����������������������������������������������������������������� ��������� through trap ���������������������������������������������������������������������������� Time ������������������������������������������������������� �������������������������� ������������������� �������� ���������������������������������������
Recommend
More recommend