Beta decay; Neutron; Standard Modell; Time reversal invariance
Schlagworte (SWD):
Zeitumkehr; Neutron; Zerfall; Korrelationsmessung
TU-Systematik:
PHY 411d; PHY 425d
Kurzfassung:
Bei dem Zerfall freier polarisierter Neutronen beschreibt der zeitumkehrverletzende Koeffizient D die Stärke der Tripelkorrelation zwischen dem Neutronenspin und den Impulsen des Elektrons und des Neutrinos. Ein von D=0 abweichender Wert, der über den im Neutronenzerfall auftretenden Final-State-Effekten von 10-5 liegt, würde auf eine Verletzung der Zeitumkehrinvarianz jenseits des Standardmodells hindeuten. Der gegenwärtige Weltmittelwert beträgt D=-6(10)·10-4. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Weiterführung des TRINE-Experiments zur Messung des D-Koeffizienten an einem Strahl kalter polarisierter Neutronen und wurde im Rahmen des SFB 375 Astroteilchenphysik durchgeführt. Dabei werden Protonen und Elektronen in der Ebene senkrecht zum Neutronenspin koinzident nachgewiesen. Die Umkehr des Neutronenspins bezüglich dieser Ebene entspricht der Symmetrieoperation der Zeitumkehr. Aufgrund der niedrigen Energie der kalten Neutronen kann für die Messung der Tripelkorrelation zusammen mit dem Elektron das Proton anstelle des Neutrinos nachgewiesen werden. Die Detektion der Teilchen erfolgt durch rauscharme Halbleiter-PiN-Dioden für die Protonen und durch eine den gamma-Untergrund unterdrückende Kombination von Vieldrahtkammern und Plastikszintillatoren für die Elektronen. Der zentrale Detektorteil von TRINE wurde modifiziert, um das Zerfallsvolumen zu vergrößern und damit eine höhere Statistik zu erzielen. Die Geometrie akzeptiert einen maximalen Strahlquerschnitt von 40 × 60 mm2. Zerfälle werden über eine Länge von 36 cm in 9 Detektorebenen nachgewiesen. Der neue Aufbau verfügt je Detektorebene über 6 Kombinationen von segmentierten Elektron-Proton-Detektoren mit unterschiedlichen Winkeln zwischen den nachzuweisenden Zerfallsteilchen. Die Anordnung der Detektoren erfolgte derart, dass die maximale statistische Sensitivität auf den D-Koeffizienten erreicht wurde. Das Experiment wurde während einer 125-tägigen Strahlzeit im Jahr 2003 am Forschungsinstitut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble am Strahlplatz PF1b für kalte Neutronen aufgebaut und durchgeführt. Der rein statistische Fehler der Daten auf den D-Koeffizient beträgt: Delta_D=3.7·10-4. Es treten systematische Effekte auf, die zu hohen, statistisch miteinander unverträglichen Unterschieden in den Asymmetriewerten der Detektorkombinationen führen. Eine fehlergewichtete Zusammenfassung der Daten ist damit nicht erlaubt. Bei arithmetischer Mittelung der Daten ergibt sich ein Wert: D=(1.5±1.2)·10-3, wobei der Fehler aus der empirischen Streuung der Asymmetriewerte der einzelnen Detektorkombinationen berechnet wurde. Der Unterschied zur statistisch erwarteten Streuung um einen Faktor 3 zeigt die in den Asymmetriewerten enthaltenen systematischen Schwankungen. Die auftretenden systematischen Effekte wurden detailiert untersucht. Mit hoher Wahrscheinlichkeit sind sie auf die die Protonen nachweisenden Komponenten zurückzuführen. Feldeingriffe oder inhomogene Eigenschaften der einzelnen Segmente, die die Protonen auf die PiN-Dioden lenken, führen offensichtlich zu einer Vermischung der Protonenbahnen zwischen den einzelnen Detektoren. Mögliche Zugänge zu einer Auswertung, die die Vermischung der Protonenzählraten mit berücksichtigt, werden diskutiert. Ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit wurde ein alternatives Konzept des gamma-Untergrund unterdrückten Elektronennachweises mit sogenannten Phoswich-Detektoren untersucht. Die Anordnung - bestehend aus zwei Schichten von Szintillatoren mit unterschiedlichen Abklingzeiten - erlaubt mit deutlicher Verringerung des gamma-Untergrunds die Aufnahme eines Konversionselektronenspektrums von 207Bi. Die Methode kann in zukünftigen Neutronenzerfallsexperimenten für elektronennachweisende Detektoren kleiner Flächen eingesetzt werden.
Übersetzte Kurzfassung:
In the decay of the free polarized neutron the coefficient D describes the strength of the triple correlation between the neutron spin and the momenta of electron and neutrino respectively. A value for D>0 above the contribution of final-state effects of 10-5 would imply a violation of time reversal invariance beyond the standard model. The current world average is D=-6(10)·10-4. This thesis deals with the continuation of the TRINE experiment to measure D at a cold polarized neutron beam. It was accomplished within the framework of the Sonderforschungsbereich SFB 375 for astroparticle physics. Protons and electrons are detected coincidently in the plane perpendicular to the neutron spin. Reversal of the neutron spin respective to this plane corresponds to the symmetry operation of time reversal. Because of the low energy of cold neutrons, in the measurement of the triple correlation the electron is detected, together with the proton, instead of the neutrino. The detection of the particles is made by low-noise semiconductor PiN diodes for the protons and a combination of gamma-background suppressing multi-wire proportional chambers and scintillators for the electrons. The central detector unit of TRINE was modified to increase the decay volume and to gain a higher statistics. The geometry accepts a maximum beam profil of 40 × 60 mm2. Decays are measured over a length of 36 cm in 9 detector planes. The new setup consists of 6 combinations of segmented electron-proton detectors per plane with different angles between electron and proton respectively. The positions of the detector units are such that the statistical sensitivity to D is maximized. The experiment was built up and carried out in 2003 during a beam time of 125 days at the Institute Laue-Langevin (ILL) in Grenoble. The beam facility PF1b was used. The pure statistical uncertainty on D is: Delta_D=3.7·10-4. Systematic effects lead to high, statistically incompatible differences in the asymmetries of the detector combinations. A weighted mean of the data is therefore not allowed. Arithmetic averaging of the data leads to a value of: D=(1.5±1.2)·10-3, where the uncertainty is calculated from the empirical variance of the asymmetries of the detector combinations. The difference of 3 to the statistical uncertainty shows the dispersion in the fluctuations of the asymmetries. The systematic effects were investigated in detail. Most likely they originate from the proton detecting components. Electric field penetration or inhomogenious behaviour of the elements, which focus the protons onto the PiN diodes may lead to a mixture of proton trajectories between the single proton detectors. Possible ways of data analysis, which account for the mixture of the protons, are discussed Also in the framework of this thesis, an alternative concept of gamma-background suppressing electron detection with so-called phoswich detectors was investigated. The setup consists of two scintillators with different light attenuation constants. It allows the measurement of a conversion electron spectrum of 207Bi with a significantly reduced gamma-background at the same time. This methode could be used in further neutron decay experiments for small-array electron detection.
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