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Measurement of neutrino and proton asymmetry in the decay of polarized neutrons [Elektronische Ressource] / presented by Marc Schumann

131 pages
Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciencesand for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDipl.-Phys. Marc Schumannborn in G¨oppingenOral examination: May 9th, 2007Measurement of Neutrino and Proton Asymmetryin the Decay of polarized NeutronsReferees: Prof. Dr. Hartmut AbeleProf. Dr. Karlheinz MeierMeasurement of Neutrino and Proton Asymmetryin the Decay of polarized NeutronsTheStandardModelofParticlePhysicsisinexcellentagreementwithallexperimentalresults.However, it is not believed to be the most fundamental theory. It requires, for example, toomanyfreeparametersandisnotabletoexplaintheexistenceofeffectssuchasparity-violationor CP-violation. Thus measurements have to be performed to probe the Standard Model andto search for “new physics”. An ideal laboratory for this is the decay of the free polarizedneutron.In this thesis, we present measurements of the neutrino asymmetry B and the proton asym-metry C in neutron decay. These coefficients describe the correlation between neutron spinand momentum of the respective particle, and provide detailed information on the structureof the underlying theory. The experiment was performed using the electron spectrometerPERKEO II installed at the Institut Laue-Langevin (ILL). It was equipped with a combinedelectron-proton detector to reconstruct the neutrino in a coincidence measurement.
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Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences
and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Dipl.-Phys. Marc Schumann
born in G¨oppingen
Oral examination: May 9th, 2007Measurement of Neutrino and Proton Asymmetry
in the Decay of polarized Neutrons
Referees: Prof. Dr. Hartmut Abele
Prof. Dr. Karlheinz MeierMeasurement of Neutrino and Proton Asymmetry
in the Decay of polarized Neutrons
TheStandardModelofParticlePhysicsisinexcellentagreementwithallexperimentalresults.
However, it is not believed to be the most fundamental theory. It requires, for example, too
manyfreeparametersandisnotabletoexplaintheexistenceofeffectssuchasparity-violation
or CP-violation. Thus measurements have to be performed to probe the Standard Model and
to search for “new physics”. An ideal laboratory for this is the decay of the free polarized
neutron.
In this thesis, we present measurements of the neutrino asymmetry B and the proton asym-
metry C in neutron decay. These coefficients describe the correlation between neutron spin
and momentum of the respective particle, and provide detailed information on the structure
of the underlying theory. The experiment was performed using the electron spectrometer
PERKEO II installed at the Institut Laue-Langevin (ILL). It was equipped with a combined
electron-proton detector to reconstruct the neutrino in a coincidence measurement.
The uncertainty of our neutrino asymmetry result, B = 0.9802(50), is comparable to the
present best measurement, and, for the first time ever, we obtained a precise value for the
protonasymmetry,C =−0.2377(36). Bothresultsareusedtoanalyzeneutrondecayforhints
on “Physics beyond the Standard Model” by studying possible admixtures of right-handed
currents and of scalar and tensor couplings to the interaction.
Messung der Neutrino- und Proton-Asymmetrie
im Zerfall polarisierter Neutronen
Das Standarmodell der Teilchenphysik liefert eine hervorragende Beschreibung fur¨ alle ex-
perimentellen Beobachtungen. Dennoch geht man davon aus, dass es nicht die fundamentale
Theorie der Teilchenphysik ist, unter anderem da es sehr viele freie Parameter ben¨otigt und
keine Begrundung¨ fur¨ Ph¨anomene wie etwa Parit¨ats- oder CP-Verletzung liefert. Daher wird
es st¨andig experimentellen Tests unterzogen, in denen auch nach “Physik jenseits des Stan-
dardmodells” gesucht wird. Hierzu bietet der Zerfall freier, polarisierter Neutronen ideale
Rahmenbedingungen.
In dieser Arbeit wird eine Messung der Neutrino-Asymmetrie B und der Proton-Asymmetrie
C im Neutronenzerfall vorgestellt. Diese beschreiben Korrelationen zwischen dem Neutro-
nenspin und dem Impuls des jeweiligen Teilchens und k¨onnen pr¨azise Informationen ub¨ er die
StrukturderschwachenWechselwirkungliefern. DasExperimentwurdemitdemElektronen-
Spektrometer PERKEO II am Institut Laue-Langevin (ILL) durchgefuhrt.¨ Um das Neutrino
aus einer koinzidenten Messung von Elektron und Proton zu rekonstruieren, wurde ein kom-
binierter Elektron-Proton-Detektor verwendet.
Das Ergebnis der Neutrino-Asymmetrie B = 0.9802(50) hat eine Genauigkeit, die mit der
bislang besten Messung vergleichbar ist. Weiterhin ist im Rahmen dieser Arbeit die er-
ste Pr¨azisionsmessung der Proton-Asymmetrie gelungen, das Resultat ist C =−0.2377(36).
Beide Werte werden verwendet, um den Neutronenzerfall nach Hinweisen auf “neue Physik”
zu untersuchen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf rechtsh¨andigen Str¨omen und neuen
Kopplungen.Contents
1 Introduction 5
2 The Weak Interaction in the Standard Model 7
2.1 Weak In and Neutron Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Limits of the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Grand Unified Theories and Supersymmetry . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Left-Right Symmetric Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Measurements of Right-Handed Currents . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Neutron Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.1 Correlation Coefficients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2 Neutrino Asymmetry B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.3 Proton C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.4 Previous Measurements of Correlation Coefficients B and C . . . . . . 24
2.3.5 Right-Handed Currents in Neutron Decay . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3 Measurement of Correlation Coefficients B and C 29
3.1 The Spectrometer PERKEO II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.2 The Beam Position PF1B at ILL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Beamline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.2 Neutron Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3.3 Magnetic Mirror Effect and Neutron Beam Alignment . . . . . . . . . 37
3.4 Detection System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.1 Combined Electron-Proton Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.4.2 High Voltage Test Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4.3 Electric shielding of the Decay Volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
12 CONTENTS
3.4.4 Data Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.5 Detector Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.6 Vacuum Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 Background and Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.5.1 High-Voltage Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.5.2 Simulation of High-Voltage Background . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4 Data Analysis 55
4.1 Electron Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Photomultiplier Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.2 Energy-Channel Relation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.3 Energy Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.4 Detector Drifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1.5 Homogeneity and Area Correction . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.1.6 Trigger Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.1.7 Electron Backscattering and Time Resolution . . . . . . . . . . . . . . 64
4.1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.2 Proton Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.3 Coincidence Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.1 Monte Carlo Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.3.2 Multi-Stop Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.3.3 Accidental Coincidences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3.4 Events with correlated second Stop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
4.4 Background and Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.1 Formalism of Data Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.2 Systematic Background Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.5 Corrections and Systematic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.1 Theoretical Corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5.2 Magnetic Mirror Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
4.5.3 Displacement between Neutron Beam and Magnetic Field . . . . . . . 84
4.5.4 Electric Mirror Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.5 Edge Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.5.6 Grid Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.6 Neutrino Asymmetry B – Same Hemispheres . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89CONTENTS 3
4.6.1 Spectra and Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.6.2 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.6.3 Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.7 Neutrino Asymmetry B – Opposite Hemispheres . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.7.1 Analysis and Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
4.7.2 Systematic Checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
4.8 Proton Asymmetry C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.8.1 Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.8.2 Result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5 Results and Standard Model Tests 105
5.1 Final Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.2 Neutrino Asymmetry and right-handed Currents . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3 Proton and λ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.4 Limits on Scalar and Tensor Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6 Summary and Outlook 115
6.1 Statistical and systematical Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.2 The Future: PERKEO III and new Instruments. . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Bibliography 119
Impressions 123
Acknowledgements 1254 CONTENTS

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