Design und Aufbau des Experiments tauSPECT zur Messung der Neutronlebensdauer mittels magnetischer Wandspeicherung

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.

Free neutron decay with a half-life of about 15 minutes is independent of theoretical nuclear models and therefore offers an ideal possibility to investigate the Standard Model of Particle Physics (SM). A precise knowledge of the neutron lifetime tau_n allows for a deeper knowledge of element formation during the beginning of the universe. Within the scope of this thesis, a new experiment by the name of tauSPECT has been conceptionally developed, designed and constructed to measure tau_n at a precision 10^(-4). The aim is to store ultracold neutrons (UCN) using 3D magnetic storage without any material wall contact throughout the whole duration of storage. To determine the lifetime, two methods can be used, which have been applied: 1. Measure the exponential storage curve by detecting UCN which remain in the magnetic trap after varying storage times and 2. in situ detection of decay products (protons) using a silicon drift detector during UCN storage. tauSPECT has been constructed at the UCN source of the research reactor TRIGA Mainz, beam port D. First storage measurements have demonstrated a trapping of neutrons in a 1D axial magnetic field based on adiabatic fast passage while reaching a UCN density of 3.2 UCN/cm^3. In order to reach a statistical accuracy of 1s, current conditions require a measurement time of about 40 days. In order to reach demanded UCN densities for a 10^(-4) measurement of the neutron lifetime, various investigations regarding the performance and capability of the current UCN source at beam port D have been performed. The results have led to important evidence on how the UCN yield could be increased. A first step in the UCN source upgrade, which is based on optimisation methods discussed in this thesis, could be realised in the meantime and has led to a factor 3.5 increase of the UCN yield. Reaching higher counting statistics also allows for a more precise investigation of systematic effects. Overall, the experiment tauSPECT could be successfully prepared for the next phase, the full magnetic storage of UCN.