Design und Aufbau des Experiments tauSPECT zur Messung der Neutronlebensdauer mittels magnetischer Wandspeicherung
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Abstract
Der Zerfall freier Neutronen mit einer Halbwertszeit von etwa 15 Minuten ist unabhängig von theoretischen Kernmodellen und bietet dadurch ideale Möglichkeiten zur Untersuchung des Standardmodells der Teilchenphysik (SM). Die präzise Kenntnis der Neutronlebensdauer tau_n dient außerdem dem tieferen Verständnis der Elemententstehung in der Anfangsphase des Universums.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Experiment mit dem Namen tauSPECT zur Messung von tau_n mit einer Genauigkeit von 10^(-4) konzeptionell entwickelt, designet und aufgebaut. Das Ziel dabei ist, ultrakalte Neutronen (UCN) in einer dreidimensionalen Magnetfeldanordnung zu speichern, sodass kein materieller Wandkontakt während der gesamten Speicherzeit erfolgt. Zur Bestimmung der Lebensdauer existieren zwei Methoden, die hier zur Anwendung kommen: 1. Dem Messen der exponentiellen Speicherkurve durch Nachweis der nach unterschiedlich langen Speicherzeiten noch in der magnetischen Falle verbliebenen UCN und 2. die in situ-Detektion der Zerfallsprodukte (Protonen) mit einem Silizium-Drift-Detektor während der UCN-Speicherung.
tauSPECT ist an der UCN-Quelle des Forschungsreaktors TRIGA Mainz, Strahlrohr D, aufgebaut. Erste Speichermessungen haben den Neutroneneinfang in einem eindimensionalen, axialen Magnetfeld auf Basis einer adiabatischen schnellen Passage demonstriert, wobei eine UCN-Dichte von 3.2 UCN/cm^3 gemessen wurde. Für eine statistische Genauigkeit von 1s werden unter den gegenwärtigen Bedingungen etwa 40 Messtage benötigt.
Um die geforderten UCN-Dichten für eine 10^(-4)-Messung der n-Lebensdauer zu erreichen, wurden ferner vielfältige Untersuchungen zur Performance und Leistungsstärke der bestehenden UCN-Quelle an Strahlrohr D vorgenommen. Die Ergebnisse gaben wichtige Hinweise zur Steigerung der UCN-Ausbeute. Ein erster Schritt des Quellenupgrades, basierend auf den in dieser Arbeit beschriebenen Optimierungsmaßnahmen, konnte inzwischen realisiert werden und brachte eine Steigerung der UCN-Ausbeute von einem Faktor 3.5. Durch das Erreichen einer höheren Zählratenstatistik kann auch eine genauere Untersuchung systematischer Effekte vorgenommen werden.
Insgesamt ist es gelungen, das Experiment tauSPECT für die nächste Phase der vollmagnetischen UCN-Speicherung vorzubereiten.