Abstract

DISS. ETH NO. 16617
New Search for Invisible Decays
of Ortho—Positronium
A dissertation submitted to the
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZÜRICH
for the
degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Paolo Crivelli
Dipl. Phys., ETH
Zürich
born 29.04.1976
Citizen of Novazzano, TI
Switzerland
aecepted on recommendation of
Prof. Dr. Andre Rubbia, examiner
Prof. Dr. Ralph Eichler, co-examiner
2006
Abstract
This thesis is focused on the search of new physics in exotic decays of positronium. Due to
the uniqueproperties of a particle(electron)-antiparticle(positron) System (thus, having the
quantum numbers ofthe vacuum), positronium is a sensitive probe to test new interactions,
which are not accommodated in the Standard Model (SM). Moreover, for the triplet spin
ground state (the orthopositronium) the long lifetime, compared to the singlct spin ground
state (the parapositronium), gives an enhancement factor of ca. 103 in the sensitivity for new
interactions. Therefore, searches of new physics concentrate mainly on orthopositronium
(o-Ps) decays.
For this thesis two experiment were performed: a direct search of the exotic three body
decay of orthopositronium in one photon and two weakly interacting particles o Ps —>
7+Xi + X'2 and an experimentto search for the decay o Ps —> invisible with a sensitivity
of 10~8. The experimental techniques and the results are presented.
The first experiment had the purpose to shed some light on the discrepaney between
the measured and the predicted lifetime of o-Ps in vacuum, first observed by the Michigan
group in 1990.
The search for o Ps —> invisible decays was performed to test the existence either
of i) extra-dimensions, or ii) fractionally charged particles, or iii) a new light vector gauge
boson, or iv) dark matter of the minor matter type. These modeis predict a branching
ratio for the Br(o Ps —? invisible) decay mode of the order of 10"8.
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Zusammenfassung
Diese Dissertationkonzentriertsich auf die Suche nach neuer Physik in exotischen Zerfällen
Positronium. Wegen der einzigartigen Eigenschaften eines Teilchen (Elektron) An¬
titeilchen (Positron)- Systems (mit den Quantenzahlen des Vakuums), ist das Positro¬
nium eine empfindliche Probe für neue Wechselwirkungen, die nicht im Standardmod¬
ell der Teilchenphysik enthalten sind. Ausserdem gibt die lange Lebensdauer des SpinTriplettzustands von Positronium im Grundzustand (Orthopositronium), eine urn einen
Faktor 103 höhere Empfindlichkeit auf neue Wechselwirkungen,verglichen mit dem SpinSinglettzustand. Deshalb konzentrieren sich Experimente zur Suche nach neuer Physik
hauptsächlich auf Orthopositronium-Zerfälle.
Für diese Dissertationwurden zwei Experimente durchgeführt: eine direkte Suche nach
dem exotischen Dreiteilchen-Zerfall von Orthopositronium (o-Ps) in ein Photon und zwei
schwach wechselwirkende Teilchen o Ps —> 7 + Xi + X2, und ein Experiment zur Suche
nach einem " unsichtbaren" (invisible) Zerfall o Ps —> invisible mit einer Empfindlichkeit
von
10~8. Die experimentellen Technikenund die Resultate werden vorgestellt.
Das erste Experiment, das in dieser Dissertationbeschrieben wird, hatte das Ziel, Licht
in die Diskrepanz zwischen der gemessenen und und der vorher gesagten Lebensdauer von
o-Ps zu bringen; diese Diskrepanz wurde zuerst 1990 von der Michigan-Gruppe beobachtet.
Mit der Suche nach unsichtbaren Zerfällen 0 Ps —> invisible wurden folgende hy¬
pothetischen Modelle getestet: i) zusätzliche Dimensionen, ii) geladene Teilchen mit einer
Ladung viel kleiner als die Elementarladung (milli-charged particles), iii) ein neues VektorEichboson, oder iv) Dunkle Materie vom Typ der Spiegelwelt-Materie.Diese Modelle sagen
für das Verzweigungsverhältnis Br(o Ps —> invisible) einen Wert in der Grössenordnung
von
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10~8 voraus.

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