Authors:	Wunderle, Alexander Georg
Title:	Precision measurement of the beta-nu angular correlation coefficient a in free neutron decay
Online publication date:	15-Feb-2017
Year of first publication:	2017
Language:	english
Abstract:	To investigate and test the Standard Model of particle physics (SM) at the low energy frontier, free neutron decay is an ideal lab. It is unencumbered by nuclear structure effects and the matrix elements are well known. In free neutron decay the ratio of the weak coupling constant gA/gV can be measured via several observables. One of these observables is the beta-nu angular correlation coefficient a, which is measured by the aSPECT experiment. In 2013 aSPECT had a successful beam-time, with the goal to improve the almost 40 year old precision of a of 4% to about 1 %. Part of this thesis was the preparation of the beam-time 2013, including overcoming the main systematics of past beam-times: a saturation of the DAQ and discharges from residual gas. The saturation could be overcome by inventing a DAQ with logarithmic amplification, the discharges have been solved by reducing the field emission of electrodes and improved vacuum. The other part of this thesis was the analysis of the data taken 2013. For the data analysis a new data structure Theia has been written, combining the data from the different sub-systems at one place allowing a detailed analysis of systematics event-by-event. Using Theia the pulse-height of each event could be corrected for noise peaks and double peaks via a spline interpolation. This interpolation has also been used to determine the pile-up rate and correct for it. In 2013 several individual experimental configurations with different systematics have been measured. The stability of the count rate during these configurations has been investigated and proven to fluctuate statistically only. Furthermore, for each configuration the background from residual gas has been determined. Additionally, first corrections of the experimentally enhanced effects have been determined and implemented into a global fit function, together with corrections for the pile-up and the background. Fitting the measured proton spectra with this function results in an a-value with a relative uncertainty in a of 0.82%. This result is already very precise, but not yet accurate, as some systematics still have to be included for a final analysis. Furthermore, the uncertainty of the fit and therefore a is currently limited by the fit quality of Chi2 = 2.28, meaning the fit function does not yet describe the measured data fully. Implementing the missing systematics will improve the fit quality and hence improve the resulting a in terms of accuracy and potentially also in terms of precision. In conclusion it can be said, that the beam-time 2013 was successful. A significant improvement of the uncertainty of a by a factor of 4 has already been achieved, although the analysis is not completed yet. For the final analysis a precision of 1% is expected. Um das Standard Modell der Teilchenphysik (SM) bei niedrigen Energien zu testen, ist der Zerfall des Neutrons ideal. Er ist unbeeinflusst von Kernstruktur Effekten und die Übergangsmatrixelemente sind bekannt. Aus dem Zerfall des freien Neutrons kann das Verhältnis der Schwachen Kopplungskonstanten gA/gV über mehrere Observablen bestimmt werden. Eine dieser Observablen ist der beta-nu Winkelkorrelationskoeffizient a, welcher vom aSPECT Experiment gemessen wird. 2013 hat das aSPECT Experiment eine erfolgreiche Strahlzeit durchgeführt, mit dem Ziel die fast 40 Jahre alte Präzission in a von 4% auf 1% zu verbessern. Teil dieser Arbeit war die Vorbereitung der Strahlzeit 2013, was die Lösung der Hauptsystematiken vergangener Strahlzeiten beinhaltet: die Sättigung der Detektorelektronik, sowie Entladungen von Restgas. Die Sättigung der Elektronik konnte mit Hilfe einer logarithmischen Verstärkungskurve gelöst werden, die Entladungen wurden durch Verbesserung des Vacuums und Reduzierung von Feldentladungen beseitigt. Der andere Teil dieser Arbeit war die Analyse der Daten von 2013. Hierzu wurde eine neue Datenstruktur Theia geschrieben, welche die Daten verschiedener Subsysteme kombiniert und so eine event-by-event Analyse der Systematiken erlaubt. Mit Hilfe von Theia konnte die Pulshöhe durch einen Spline Fit auf Rauschen und Doppelevents korrigiert werden. Ebenso wurde der Spline Fit benutzt, um die Pile-Up Rate zu bestimmen und korrigieren. In 2013 wurden unter verschiedenen experimentellen Bedingungen gemessen, um Systematiken zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass die Zählrate dieser einzelnen Konfigurationen nur statistisch fluktuiert. Weiterhin wurden erste Korrekturen für experimentell verstärkte Effekte bestimmt und in einen globalen Fit implementiert, genauso wie Korrekturen für den Untergrund und den Pile-Up. Der Fit der gemessenen Protonenspektren liefert bereits ein sehr präzisen a-Wert, mit einer Unsicherheit von 0.82%. Dieses Resultat ist zwar bereits präzise, aber noch nicht genau, da noch einige bekannte Systematiken in die finale Analyse einbezogen werden müssen. Ebenso ist die Unsicherheit des Fits und damit auch a derzeit durch die Fitqualität Chi2 = 2.28 limitiert, was bedeutet, die Fit Funktion beschreibt die Daten noch nicht vollständig. Die Implementierung dieser Systematiken wird die Fit Qualität und damit auch a, sowohl in Sachen Genauigkeit als auch Präzision. Abschließend kann gesagt werden, die Strahlzeit 2013 war erfolgreich. Eine Verbesserung der Unsicherheit in a von einem Faktor 4 konnte erreicht werden, obwohl die Analyse noch nicht abgeschlossen ist. Für die finale Analyse wird eine Präzision von 1% erwartet.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3293
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000010030
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xi, 157 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen