Paul, Stephan (Prof. Dr.); Dubbers, Dirk (Prof. Dr.)
Format:
Text
Sprache:
de
Fachgebiet:
PHY Physik
Stichworte:
Neutron; Betazerfall; Zeitumkehr
Schlagworte (SWD):
Zeitumkehr; Neutron; Zerfall; Korrelationsmessung
TU-Systematik:
PHY 411d; PHY 425d
Kurzfassung:
Der D-Koeffizient im Neutronenzerfall beschreibt die Korrelation zwischen Elektron, Antineutrino und Neutronenspin. Er ist ein Test auf Verletzung der Zeitumkehrinvarianz und auf Physik jenseits des Standardmodells. Der derzeitige experimentelle Weltmittelwert D=-(5±14)·10-4 ist mit dem Standardmodell verträglich. Final-State-Effekte treten erst im Bereich 10-5 auf und lassen zwei Größenordnungen Spiel für Tests auf Zeitumkehrinvarianz durch Nullmessungen. In der vorliegenden Arbeit werden zunächst Anforderungen an einen Detektor für D abgeleitet und mögliche systematische Effekte theoretisch untersucht. Wesentliche Ergebnisse sind die Begründung des Konzepts des symmetrischen Detektors, der zwei zueinander orthogonale longitudinale Spiegelebenen von Zerfallsvolumen und Detektorkombinationen besitzen muss, und die Abhängigkeit der Empfindlichkeit auf D vom Winkel zwischen Elektron- und Protondetektor (das Proton wird statt des Antineutrinos nachgewiesen), die bei leicht stumpfen Winkeln ihr Maximum erreicht. Hauptinhalt ist jedoch die Messung des D-Koeffizienten mit dem Detektor Trine, die im Rahmen dieser Arbeit vorbereitet, durchgeführt und zu großen Teilen ausgewertet wurde. Diese Messung liefert den zur Zeit genauesten Wert für D. Trine detektiert Proton und Elektron aus dem Neutronenzerfall in Abhängigkeit vom Neutronenspin. Der Protonnachweis wurde von Beck entwickelt und verwendet PIN-Dioden mit besonders dünnen Eintrittsfenstern. Zum Elektronnachweis werden Vieldrahtkammern in Koinzidenz mit Plastikszintillatoren eingesetzt. 1999 fand eine Teststrahlzeit am Forschungsreaktor des Instituts Laue Langevin, Grenoble, statt. Aufgrund dieser Messung wurden die Szintillatoren segmentiert und die vom Detektor akzeptierte Strahldivergenz erhöht. Mit dem verbesserten Detektor wurden während einer 100 tägigen Strahlzeit am ILL 2000 etwa 50·106 Ereignisse aufgenommen, von denen bisher 30·106 Ereignisse ausgewertet sind. Wichtige Vorteile des Detektors Trine gegenüber konkurrierenden Messungen sind seine starke Segmentierung mit zwölf Detektorebenen und vier Gruppen von Detektorkombinationen je Ebene und der ortsauflösende Elektronnachweis mit Hilfe der Drahtkammern. Das erlaubt eine Aussortierung der Ereignisse mit kritischer Systematik und damit eine weitgehende Unterdrückung der insbesondere durch die paritätsverletzenden Koeffizienten A und B verursachten systematischen Effekte. Das vorläufige Ergebnis, in das 13.8·106 Ereignisse eingehen, lautet Dpreliminary=-(3.1±7.8stat±4.7syst)·10-4. Zur Kleinheit des statistischen Fehlers trägt das hohe Signal-Untergrund-Verhältnis von 23, das auf die Verwendung der PIN-Dioden und der Drahtkammern zurückzuführen ist, wesentlich bei. Der in Dpreliminary angegebene systematische Fehler wurde sehr konservativ nach oben abgeschätzt und wird sich bei der weiteren Datenanalyse reduzieren. Die bisherige Datenanalyse zeigte, dass die Messung mit Trine einen Genauigkeitsbereich erreicht, in dem systematische Effekte wesentlich werden. Eine deutliche Verbesserung der Genauigkeit erfordert Detektoren, bei denen jede Detektorebene in sich symmetrisch ist und nur einen kurzen Abschnitt des Neutronenstrahls erfasst. Dazu ist eine weitere Segmentierung des Elektronnachweises nötig, die zur Vermeidung von Streuung ohne Drahtkammern auskommen sollte. Zur Untergrundsunterdrückung müssen für die niederenergetischen Zerfallselektronen einsetzbare alternative Konzepte, z.B. zweischichtige Szintillatoren oder Kombinationen aus Gasdetektoren und Szintillatoren, entwickelt werden.
Übersetzte Kurzfassung:
The D coefficient in neutron decay describes the correlation between electron, antineutrino, and neutron spin. It tests for a violation of time reversal invariance and for physics beyond the Standard model. The current experimental world average of D=-(5±14)·10-4 is consistent with the Standard model. Final state effects appear only at a level of 10-5 and leave a further two orders of magnitude space for tests of a violation of time reversal invariance by measuring a deviation from 0. The first part of the present work is devoted to the theoretical investigation of requirements for a D detector and of possible systematic effects. The main results are the derivation of the concept of a symmetric detector possessing two orthogonal longitudinal mirror planes for the decay volume and detector combinations and the dependence of the statistical sensitivity of the detector on the angle between the detectors for electron and proton (the latter is detected instead of the antineutrino) with its maximum at slightly obtuse angles. The main part, however, is devoted to the D measurement Trine which was prepared, carried out, and analyzed in most parts within the present work. This measurement results in the presently most precise value for D. Trine detects proton and electron as a function of the spin of the decaying neutron. The proton detection was developed by Beck and is based on PIN diodes with particularly thin entrance windows. The electrons are detected by means of multi wire proportional chambers in coincidence with plastic scintillators. A test run was carried out in 1999 at the research reactor of the Institut Laue Langevin. Because of experience gained from this measurement, the scintillators were split and the accepted beam divergence of the detector was increased. With the improved detector, 50·106 events were collected during a 100 days beam time at ILL in 2000. Presently, 30·106 of these events are analyzed. The main advantages of the Trine detector compared with competing measurements are its strong segmentation with 12 detector planes with four groups of detector combinations in each detector plane and the spatial resolution achieved using the wire chambers. This allows us to separate events with dubious systematics and to suppress the systematic effects possibly caused by the parity violating coefficients A and B. The preliminary result from 13.8·106 good events is Dpreliminary=-(3.1±6.2stat±4.7syst±4.7syststat)·10-4. The smallness of the statistical error is partially due to the high signal to background ratio of 23 that allows us to use the available statistics completely. This ratio can be traced back to the good separation of the signal from the noise by the PIN diodes as well as to the gamma suppression of the wire chambers. The systematic error of Dpreliminary is estimated conservatively and will reduce in further data analysis. Hitherto data analysis showed that the measurement with Trine start to scratch a region of precision where systematic effects become important. A further significant improvement of precision requires detectors where each detector plane is intrinsically symmetric and covers only a short range of the neutron beam. Therefore, stronger segmentation is needed. To suppress scattering, wire chambers should be avoided in future. For background suppression, alternative concepts applicable to the low energy decay electrons, e.g. two layered scintillators or combinations of gaseous detectors with scintillators, should be developed.
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