First measurements of the aSPECT spectrometer

The aSPECT spectrometer has been constructed to measure, with high precision, the integral proton spectrum of the free neutron decay. From this spectrum the neutrino electron angular correlation coefficient a can be inferred. The coefficient a is involved in several Standard Model tests, like the unitarity test of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa quark mixing matrix. aSPECT has been designed to determine the coefficient a with an accuracy better than 3×10−4, that is, one order of magnitude better than the best current accuracy. First measurements with neutron beam with the aSPECT spectrometer were performed in the Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz, in Munich. A study of the data taken in this period is presented in this thesis, demonstrating the proof of principle of the spectrometer. However, the observation of situation and time-dependent background instabilities impedes the report of a new value of the coefficient a. A thorough data analysis is carried out to identify sources of these background instabilities in order to improve the aSPECT experiment for future beam times. The investigation indicates that trapped particles are most likely the reason for the background problems. Furthermore, it has been observed that measurements containing less trapped particles provide a-values closer to the currently Particle Data Group value. Based on this findings, different measures are proposed to eliminate potential traps in the spectrometer. Indeed, with the proposed modifications realized for the following beam-times, the observed background instabilities were greatly reduced.

Ziel des aSPECT Experimentes ist, das Protonenergiespektrum beim freien Neutronenzerfall mit höchster Präzision zu messen. Aus diesem Spektrum kann der Neutrino-Elektron-Winkelkorrelationsparameter a abgeleitet werden, der in verschiedenen Tests des Standardmodell eine Rolle spielt, so z.B. für den Unitaritätstest der Cabibbo-Kobayashi-Maskawa Quarkmischungsmatrix. aSPECT wurde geplant um den Parameter a mit einer Präzision besser als 3×10−4 zu bestimmen, was eine Verbesserung um eine Größenordnung gegenüber der besten bisherigen Messung darstellt. Die ersten Messungen des aSPECT Spektrometer mit Neutronenstrahl wurden an der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in München durchgeführt. In dieser Arbeit werden die dabei gewonnenen Daten analysiert, womit zum einen das Funktionsprinzips von aSPECT nachgewiesen wird. Andererseits verhindert die Beobachtung von nicht reproduzierbaren und zeitabhängigen Schwankungen des Messuntergrundes die Bestimmung eines neuen Wertes des Parameters a. Mit dem Ziel, das aSPECT Spektrometer für weitere Strahlzeiten zu optimieren, wurde daher eine detaillierte Analyse der Daten und Untergrundschwankungen durchgeführt. Als Ergebnis dieser Untersuchungen konnten in Fallen gefangene Teilchen als (wahrscheinlichste) Ursache der Hintergrundschwankungen identifiziert werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Werte für a die aus Messungen mit weniger gefangenen Teilchen im Spektrometer bestimmt wurden deutlich besser mit dem aktuellen Wert der Particle Data Group übereinstimmen, als solche die aus Messperioden mit einer höheren Anzahl von gefangenen Teilchen bestimmt wurden. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden verschiedene Massnahmen vorgeschlagen um mögliche Teilchenfallen im Spektrometer zu eliminieren. Der Erfolg der vorgeschlagenen und realisierten Massnahmen wurde mittlerweile bei neuen Messungen des aSPECT Spektrometer nachgewiesen, bei denen die beobachtbaren Untergrundschwankungen deutlich reduziert waren.