The electron antineutrino angular correlation coefficient a in free neutron decay: Testing the standard model with the aSPECT-spectrometer

Abstract

The beta-decay of free neutrons is a strongly over-determined process in the Standard Model (SM) of Particle Physics and is described by a multitude of observables. Some of those observables are sensitive to physics beyond the SM. For example, the correlation coefficients of the involved particles belong to them. The spectrometer aSPECT was designed to measure precisely the shape of the proton energy spectrum and to extract from it the electron anti-neutrino angular correlation coefficient "a". A first test period (2005/ 2006) showed the “proof-of-principles”. The limiting influence of uncontrollable background conditions in the spectrometer made it impossible to extract a reliable value for the coefficient "a" (publication: Baessler et al., 2008, Europhys. Journ. A, 38, p.17-26). A second measurement cycle (2007/ 2008) aimed to under-run the relative accuracy of previous experiments (Stratowa et al. (1978), Byrne et al. (2002)) da/a =5%. I performed the analysis of the data taken there which is the emphasis of this doctoral thesis. A central point are background studies. The systematic impact of background on a was reduced to da/a(syst.)=0.61 %. The statistical accuracy of the analyzed measurements is da/a(stat.)=1.4 %. Besides, saturation effects of the detector electronics were investigated which were initially observed. These turned out not to be correctable on a sufficient level. An applicable idea how to avoid the saturation effects will be discussed in the last chapter.

Der Beta-Zerfall freier Neutronen ist ein Prozess, welcher im Standard Modell (SM) der Elementarteilchenphysik stark überbestimmt ist und durch eine Vielzahl von Observablen beschrieben wird. Einige dieser Observablen sind sensitiv auf Physik jenseits des SM. Hierzu zählen zum Beispiel die Korrelationskoeffizienten zwischen den beteiligten Teilchen. Das Spektrometer aSPECT wurde konzipiert, um das Energiespektrum der Zerfalls-Protonen präzise zu vermessen und hieraus den Elektron-Antineutrino-Winkel-Korrelationskoeffizienten "a" zu extrahieren. Eine erste Testperiode (2005/ 2006) bestätigte die Funktionsweise des Messaufbaus. Der limitierende Einfluss von unkontrollierbarem Untergrund im Spektrometer machte aber eine verlässliche Angabe von "a" unmöglich (Veröffentlichung: Baessler et al., 2008, Europhys. Journ. A, 38, p.17-26). Ein zweiter Messzyklus (2007/ 2008) hatte zum Ziel, die relative Genauigkeit vorangegangener Experimente (Stratowa et al. (1978), Byrne et al. (2002)) von da/a=5% zu unterschreiten. Der Schwerpunkt dieser Dissertationsarbeit liegt auf der von mir durchgeführten Analyse der hierzu aufgenommenen Daten. Einen zentralen Punkt bilden hierbei Untergrund-Studien. Der systematische Einfluss des Untergrundes konnte auf da/a(syst.)=0.61% reduziert werden. Die statistische Genauigkeit der analysierten Messungen beträgt da/a(stat.)=1.4 %. Darüber hinaus wurden erstmals aufgetretene Sättigungseffekte der Detektor-Elektronik untersucht. Diese stellten sich als nicht ausreichend korrigierbar heraus. Ein anwendbarer Lösungsvorschlag bzgl. des Sättigungseffektes wird im abschließenden Kapitel diskutiert.