Myonen und Pionen
in Teilchenphysik und Anwendungen
30 Jahre experimentelle Forschung an der Schweizer Mesonenfabrik in Villigen
Peter Truöl
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Paul Scherrer Institut (Westareal), Villigen, 2005 (Bild Luftwaffe Schweiz) Laser-Experiment mit myonischem Wasserstoff (Bild PSI) Experiment zur Konversion von Myonium zu Antimyonium (Bild PSI)

Sponsoren  Paul Scherrer Institut, Villigen und Physik-Institut der Universität Zürich

ZUSAMMENFASSUNG
Vor zwanzig Jahren vereinigten sich das Schweizerische Institut für Nuklearforschung (SIN) in Villigen und das Eidgenössische Institut für Reaktorforschung (EIR) in Würenlingen zum Paul Scherrer Institut (PSI). Dieses Jubiläum gab auch Anlass zu diesem Neujahrsblatt, das einem grösseren Teilbereich des Forschungsspektrums dieses Instituts des ETH-Bereichs gewidmet ist. Es wird versucht, aus der Sicht eines Teilchenphysikers, eine Übersicht über die experimentelle Forschung am 590-MeV-Proton-Ringbeschleuniger seit 1977 zu geben, unter spezieller Berücksichtigung jener Aspekte, die wegen ihrer Präzision massgebend zur Entwicklung der Teilchenphysik beitrugen.
Dank innovativen Beschleuniger- und Strahlführungskonzepten ist der Proton-Beschleuniger am PSI zu einem der intensivsten der Welt geworden, was - begleitet von kontinuierlicher Verbesserung der anspruchsvollen Detektortechnologie - eine grosse Zahl von Experimenten durchzuführen erlaubte, die wesentliche Aussagen über die fundamentalen Wechselwirkungen und Eigenschaften der leichtesten stark wechselwirkenden Hadronen, der Pionen, und der zweitschwersten, schwach und elektromagnetisch wechselwirkenden Leptonen, der Myonen, machen konnten.
Diese Experimente bestätigen einerseits die Vorhersagen des so genannten Standard-Modells der Teilchenphysik für die elektroschwachen Wechselwirkungen der Pionen und Myonen und bestimmen mit hoher Präzision die freien Parameter wie Massen und Kopplungsstärken. Andererseits schränken sie durch die Untersuchung von im Standard-Modell verbotenen oder äusserst seltenen Prozessen die Wahlmöglichkeiten für über das Standard-Modell hinausgehende Theorien ein. In diesem speziellen Bereich tun sie das unter Umständen sogar besser als dies mit Höchstenergiebeschleunigern möglich ist. Im Bereich der starken Wechselwirkungen, die im Standard-Modell durch die Quantenchromodynamik beschrieben werden, bestätigen sie ebenfalls die Modellvorstellungen bei niederen Energien und bestimmen mit guter Genauigkeit wichtige freie Parameter.
Die über die Jahre hinweg erkannten und weiter entwickelten Anwendungen der Pion- und Myon-Strahlen in Atom-, Festkörper- und Kernphysik werden ebenfalls im Prinzip und an einigen Beispielen erläutert.
Einleitend wird auch kurz auf die Ausgangssituation in den 1960er Jahren eingegangen, die schliesslich zur Realisation von drei verschiedenen Mesonenfabriken, d.h. Beschleunigern, die Pion- und Myon-Strahlen höchster Intensität erlauben, in den USA, in Kanada und in der Schweiz führte. Die Eigenschaften der drei Forschungszentren werden verglichen, wobei die einzigartigen Charakteristiken der PSI-Beschleuniger hervorgehoben werden. Die Inbetriebnahme dieser Forschungseinrichtungen definierte ein neues Forschungsfeld, die Physik bei mittleren Energien, die auch der Forschung in der Teilchenphysik an den Schweizer Hochschulen enorme Impulse gab.
Die experimentelle Kunst steht in diesem Artikel im Vordergrund, wobei natürlich den für die Interpretation und Zielsetzung der Experimente notwendigen theoretischen Modellvorstellungen trotz der gebotenen Kürze die gebührende Aufmerksamkeit geschenkt wird.

Schlagwörter: Beschleuniger - Mesonenfabriken - Mittelenergiephysik -Myon - Paul Scherrer Institut - Pion - Präzisionsexperimente - Standard-Modell - Teilchenphysik - Zyklotron

MUONS AND PIONS IN PARTICLE PHYSICS AND APPLICATIONS
– 30 YEARS OF RESEARCH AT THE SWISS MESON FACTORY IN VILLIGEN

Twenty years ago the Swiss Institute for Nuclear Research (SIN) in Villigen and the Federal Institute for Reactor Research (EIR) in Würenlingen merged to form the Paul Scherrer Institute (PSI). The anniversary gave rise to this article, which is dedicated to a large part of the research activities of PSI, which is one of the four research institutions within the ETH domain besides the two Federal Institutes of Technology.
An attempt will be made to give an overview, from a particle physicists point of view, of the experimental research at the 590 MeV proton accelerator, and with emphasis on its contributions to the development of particle physics at its precision frontier. Innovative accelerator and beam-line concepts have lead to one of the most intense proton accelerator complexes in the world, which, accompanied by continuous high technology detector development, has allowed these experiments to provide high accuracy data on the fundamental interactions of the lightest strongly interacting hadron, the pion, and the second heaviest, weak and electromagnetically interacting lepton, the muon.
These experiments confirm on one hand the predictions of the Standard Model of particle physics for the electroweak interactions of pions and muons, and determine with high precision its free parameters like masses and coupling strengths. On the other hand they set stringent boundaries for beyond the Standard Model theories by investigating forbidden or extremely rare processes. Here, the constraints exceed often those obtainable with the highest energy accelerators. In the strong interaction sector, described within the Standard Model by Quantum Chromodynamics, low energy predictions are also experimentally confirmed and important free parameters determined.
Applications of pion and muon beams in atomic, solid state and nuclear physics, which have been developed over the years, will be discussed briefly, too, by using examples illustrating the underlying principles.
The scenario which lead to the planning in the sixties of the last century and later realisation in the seventies of three different meson factories in Switzerland, Canada and the USA, i.e. accelerators with pion and muon beams of highest intensities, will be reviewed in the introducing chapters. The properties of the three research facilities will be compared, with main emphasis naturally on the PSI accelerators and their unique characteristics. With the advent of meson factories, medium energy physics, as dealt with in this article, emerged as a new research field, which also had strong influence on the establishment of particle physics research at Swiss universities.
The article focuses on experimental ingenuity and techniques, but the theoretical ideas and models which were the basis for the goals and are needed for the interpretation of the results receive proper attention, too, respecting the limited space available in this short review.

Key words: Accelerator - cyclotron - medium energy physics - meson factory - muon - particle physics - Paul Scherrer Institute -pion - precision experiments - Standard Model

Inhaltsverzeichnis

1	EINLEITUNG		11
	1.1	Mittelenergiephysik	12
	1.2	Pionenfabriken	16
2	PSI-BESCHLEUNIGER		23
	2.1	Vorbeschleuniger	23
	2.2	590-MeV-Beschleuniger	26
3	EXPERIMENTELLE EINRICHTUNGEN		28
	3.1	Sekundärstrahlen für Pion- und Myon-Experimente	30
	3.2	Spektrometer	34
	3.3	Targets	38
4	TEILCHENPHYSIK: ELEKTROSCHWACHE WECHSELWIRKUNGEN		41
	4.1	Einleitung	41
	4.2	Pion-Zerfall	43
	4.3	Myon-Zerfall	46
	4.3.1	Lebensdauer, magnetisches Moment und Masse	47
	4.3.2	Tests der Symmetrie-Eigenschaften	51
	4.4	Seltene Pion- und Myon-Zerfälle	53
	4.5	Erhaltung der Leptonen-Zahl	55
	4.5.1	Verbotene Myon-Zerfälle	57
	4.5.2	Myon-Elektron- und Myonium-Antimyonium-Konversion	59
	4.6	Myon-Einfang	63
5	TEILCHENPHYSIK: STARKE WECHSELWIRKUNGEN		66
	5.1	Pion-Nukleon-Streuung	67
	5.2	Nukleon-Nukleon-Streuung	76
6	PHYSIKALISCHE ANWENDUNGEN		82
	6.1	Atomphysik - exotische Atome	83
	6.1.1	Pionische und myonische Atome	83
	6.1.2	Myonium	87
	6.1.3	Durch Myonen katalysierte Fusion	88
	6.2	Pion-Kern-Wechselwirkungen	90
	6.3	Materialforschung	94
	6.3.1	Synchrotronstrahlung	94
	6.3.2	Neutronen	95
	6.3.3	Myonen	98
7	VERDANKUNGEN		103
8	ANHANG: HINWEISE ZU BEGRIFFEN AUS DER TEILCHEN-PHYSIK		106
9	LITERATUR		115