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

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.

Characterization of electromagnetic fields in the aSPECT spectrometer and reduction of systematic errors

Das aSPECT Spektrometer wurde entworfen, um das Spektrum der Protonen beimrnZerfall freier Neutronen mit hoher Präzision zu messen. Aus diesem Spektrum kann dann der Elektron-Antineutrino Winkelkorrelationskoeffizient "a" mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Das Ziel dieses Experiments ist es, diesen Koeffizienten mit einem absoluten relativen Fehler von weniger als 0.3% zu ermitteln, d.h. deutlich unter dem aktuellen Literaturwert von 5%.rnrnErste Messungen mit dem aSPECT Spektrometer wurden an der Forschungsneutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz in München durchgeführt. Jedoch verhinderten zeitabhängige Instabilitäten des Meßhintergrunds eine neue Bestimmung von "a".rnrnDie vorliegende Arbeit basiert hingegen auf den letzten Messungen mit dem aSPECTrnSpektrometer am Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, Frankreich. Bei diesen Messungen konnten die Instabilitäten des Meßhintergrunds bereits deutlich reduziert werden. Weiterhin wurden verschiedene Veränderungen vorgenommen, um systematische Fehler zu minimieren und um einen zuverlässigeren Betrieb des Experiments sicherzustellen. Leider konnte aber wegen zu hohen Sättigungseffekten der Empfängerelektronik kein brauchbares Ergebnis gemessen werden. Trotzdem konnten diese und weitere systematische Fehler identifiziert und verringert, bzw. sogar teilweise eliminiert werden, wovon zukünftigernStrahlzeiten an aSPECT profitieren werden.rnrnDer wesentliche Teil der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Analyse und Verbesserung der systematischen Fehler, die durch das elektromagnetische Feld aSPECTs hervorgerufen werden. Hieraus ergaben sich vielerlei Verbesserungen, insbesondere konnten die systematischen Fehler durch das elektrische Feld verringert werden. Die durch das Magnetfeld verursachten Fehler konnten sogar soweit minimiert werden, dass nun eine Verbesserung des aktuellen Literaturwerts von "a" möglich ist. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit ein für den Versuch maßgeschneidertes NMR-Magnetometer entwickelt und soweit verbessert, dass nun Unsicherheiten bei der Charakterisierung des Magnetfeldes soweit reduziert wurden, dass sie für die Bestimmung von "a" mit einer Genauigkeit von mindestens 0.3% vernachlässigbar sind.

Measurement of the t-channel single-top-quark production cross section and of the |V (tb)| CKM matrix element in pp collisions at root s=8 TeV

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

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.

Messung der B s-Oszillation mit dem semileptonischen Zerfall B 0 s D - s (phi pi -) my + ny my mit dem D0-Detektor

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik beschreibt sehr präzise die fundamentalen Bausteine und deren Wechselwirkungen (WW). Trotz des Erfolges gibt es noch offene Fragen, die vom SM nicht beantwortet werden können. Ein noch noch nicht abgeschlossener Test besteht aus der Messung der Stärke der schwachen Kopplung zwischen Quarks. Neutrale B- bzw. $bar{B}$-Mesonen können sich innerhalb ihrer Lebensdauer über einen Prozeß der schwachen WW in ihr Antiteilchen transformieren. Durch die Messung der Bs-Oszillation kann die Kopplung Vtd zwischen den Quarksorten Top (t) und Down (d) bestimmt werden. Alle bis Ende 2005 durchgeführten Experimente lieferten lediglich eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz von ms>14,4ps-1. Die vorliegenden Arbeit beschreibt die Messung der Bs-Oszillationsfrequenz ms mit dem semileptonischen Kanal BsD(-)+. Die verwendeten Daten stammen aus Proton-Antiproton-Kollisionen, die im Zeitraum von April 2002 bis März 2006 mit dem DØ-Detektor am Tevatron-Beschleuniger des Fermi National Accelerator Laboratory bei einer Schwerpunktsenergie von $sqrt{s}$=1,96TeV aufgezeichnet wurden. Die verwendeten Datensätze entsprechen einer integrierten Luminosität von 1,3fb-1 (620 millionen Ereignisse). Für diese Oszillationsmessung wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion sowie des Zerfalls bestimmt und die Zerfallszeit wurde gemessen. Nach der Rekonstruktion und Selektion der Signalereignisse legt die Ladung des Myons den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit des Zerfalls fest. Zusätzlich wurde der Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion markiert. b-Quarks werden in $pbar{p}$-Kollisionen paarweise produziert. Die Zerfallsprodukte des zweiten b-Hadrons legen den Quarkinhalt des Bs-Mesons zur Zeit der Produktion fest. Bei einer Sensitivität von msenss=14,5ps-1 wurde eine untere Grenze für die Oszillationsfrequenz ms>15,5ps-1 bestimmt. Die Maximum-Likelihood-Methode lieferte eine Oszillationsfrequenz ms>(20+2,5-3,0(stat+syst)0,8(syst,k))ps-1 bei einem Vertrauensniveau von 90%. Der nicht nachgewiesene Neutrinoimpuls führt zu dem systematischen Fehler (sys,k). Dieses Resultat ergibt zusammen mit der entsprechenden Oszillation des Bd-Mesons eine signifikante Messung der Kopplung Vtd, in Übereinstimmung mit weiteren Experimenten über die schwachen Quarkkopplungen.

Measurement of the proton recoil spectrum in neutron beta decay with the spectrometer aSPECT : study of systematic effects

Precision measurements of observables in neutron beta decay address important open questions of particle physics and cosmology. In this thesis, a measurement of the proton recoil spectrum with the spectrometer aSPECT is described. From this spectrum the antineutrino-electron angular correlation coefficient a can be derived. In our first beam time at the FRM II in Munich, background instabilities prevented us from presenting a new value for a. In the latest beam time at the ILL in Grenoble, the background has been reduced sufficiently. As a result of the data analysis, we identified and fixed a problem in the detector electronics which caused a significant systematic error. The aim of the latest beam time was a new value for a with an error well below the present literature value of 4%. A statistical accuracy of about 1.4% was reached, but we could only set upper limits on the correction of the problem in the detector electronics, too high to determine a meaningful result. This thesis focused on the investigation of different systematic effects. With the knowledge of the systematics gained in this thesis, we are able to improve aSPECT to perform a 1% measurement of a in a further beam time.

A soft origin for CKM-type CP violation

We present a two-Higgs-doublet model, with a Z(3) symmetry, in which CP violation originates solely in a soft (dimension-2) coupling in the scalar potential, and reveals itself solely in the CKM (quark mixing) matrix. In particular, in the mass basis the Yukawa interactions of the neutral scalars are all real. The model has only eleven parameters to fit the six quark masses and the four independent CKM-matrix observables. We find regions of parameter space in which the flavour-changing neutral couplings are so suppressed that they allow the scalars to be no heavier than a few hundred GeV. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Formfaktor-Bestimmung des semileptonischen K +- pi 0 my +- ny-Zerfalls mit dem NA48/2-Experiment

Der semileptonische Zerfall K^±→π^0 μ^± υ ist ein geeigneter Kanal zur Be-stimmung des CKM-Matrixelementes 〖|V〗_us |. Das hadronische Matrixelement dieses Zerfalls wird durch zwei dimensionslose Formfaktoren f_± (t) beschrieben. Diese sind abhängig vom Impulsübertrag t=〖(p_K-p_π)〗^2 auf das Leptonpaar. Zur Bestimmung von 〖|V〗_us | dienen die Formfaktoren als wichtige Parameter zur Berechnung des Phasenraumintegrals dieses Zerfalls. Eine präzise Messung der Formfaktoren ist zusätzlich dadurch motiviert, dass das Resultat des NA48-Experimentes von den übrigen Messungen der Experimente KLOE, KTeV und ISTRA+ abweicht. Die Daten einer Messperiode des NA48/2 -Experimentes mit offenem Trigger aus dem Jahre 2004 wurden analysiert. Daraus wählte ich 1.8 Millionen K_μ3^±-Zerfallskandidaten mit einem Untergrundanteil von weniger als 0.1% aus. Zur Bestimmung der Formfaktoren diente die zweidimensionale Dalitz-Verteilung der Daten, nachdem sie auf Akzeptanz des Detektors und auf radiative Effekte korrigiert war. An diese Verteilung wurde die theoretische Parameter-abhängige Funktion mit einer Chiquadrat-Methode angepasst. Es ergeben sich für quadratische, Pol- und dispersive Parametrisierung folgende Formfaktoren: λ_0=(14.82±〖1.67〗_stat±〖0.62〗_sys )×〖10〗^(-3) λ_+^'=(25.53±〖3.51〗_stat±〖1.90〗_sys )×〖10〗^(-3) λ_+^''=( 1.40±〖1.30〗_stat±〖0.48〗_sys )×〖10〗^(-3) m_S=1204.8±〖32.0〗_stat±〖11.4〗_(sys ) MeV/c^2 m_V=(877.4±〖11.1〗_stat±〖11.2〗_(sys ) MeV/c^2 LnC=0.1871±〖0.0088〗_stat±〖0.0031〗_(sys )±=〖0.0056〗_ext Λ_+=(25.42±〖0.73〗_stat±〖0.73〗_(sys )±=〖1.52〗_ext )×〖10〗^(-3) Die Resultate stimmen mit den Messungen der Experimente KLOE, KTeV und ISTRA+ gut überein, und ermöglichen eine Verbesserung des globalen Fits der Formfaktoren. Mit Hilfe der dispersiven Parametrisierung der Formfaktoren, unter Verwendung des Callan-Treiman-Theorems, ist es möglich, einen Wert für f_± (0) zu bestimmen. Das Resultat lautet: f_+ (0)=0.987±〖0.011〗_(NA48/2)±〖0.008〗_(ext ) Der für f_+ (0) berechnete Wert stimmt im Fehler gut mit den vorherigen Messungen von KTeV, KLOE und ISTRA+ überein, weicht jedoch um knapp zwei Standardabweichungen von der theoretischen Vorhersage ab.

A two-Higgs doublet model with remarkable CP properties

We analyze generalized CP symmetries of two-Higgs doublet models, extending them from the scalar to the fermion sector of the theory. We show that, other than the usual CP transformation, there is only one of those symmetries which does not imply massless charged fermions. That single model which accommodates a fermionic mass spectrum compatible with experimental data possesses a remarkable feature. Through a soft breaking of the symmetry it displays a new type of spontaneous CP violation, which does not occur in the scalar sector responsible for the symmetry breaking mechanism but, rather, in the fermion sector.

Theory and phenomenology of two-higgs-doublet models

We discuss theoretical and phenomenological aspects of two-Higgs-doublet extensions of the Standard Model. In general, these extensions have scalar mediated flavour changing neutral currents which are strongly constrained by experiment. Various strategies are discussed to control these flavour changing scalar currents and their phenomenological consequences are analysed. In particular, scenarios with natural flavour conservation are investigated, including the so-called type I and type II models as well as lepton-specific and inert models. Type III models are then discussed, where scalar flavour changing neutral currents are present at tree level, but are suppressed by either a specific ansatz for the Yukawa couplings or by the introduction of family symmetries leading to a natural suppression mechanism. We also consider the phenomenology of charged scalars in these models. Next we turn to the role of symmetries in the scalar sector. We discuss the six symmetry-constrained scalar potentials and their extension into the fermion sector. The vacuum structure of the scalar potential is analysed, including a study of the vacuum stability conditions on the potential and the renormalization-group improvement of these conditions is also presented. The stability of the tree level minimum of the scalar potential in connection with electric charge conservation and its behaviour under CP is analysed. The question of CP violation is addressed in detail, including the cases of explicit CP violation and spontaneous CP violation. We present a detailed study of weak basis invariants which are odd under CP. These invariants allow for the possibility of studying the CP properties of any two-Higgs-doublet model in an arbitrary Higgs basis. A careful study of spontaneous CP violation is presented, including an analysis of the conditions which have to be satisfied in order for a vacuum to violate CP. We present minimal models of CP violation where the vacuum phase is sufficient to generate a complex CKM matrix, which is at present a requirement for any realistic model of spontaneous CP violation.

Mesure du rapport d'embranchement des désintégrations B^0--> pi^- l^+v et B^+--> êta^(') l^+v, du spectre des facteurs de forme des désintégrations B^0--> pi^- l^+v et B^+--> êta l^+v, et extraction de |V_ub| dans l'expérience BABAR

Nous rapportons les résultats d'une étude des désintégrations semileptoniques non-charmées B^+--> êta^(') l^+v et B^0--> pi^- l^+v, mesurés par le détecteur BABAR avec une production d'environ 464 millions de paires de mésons BBbar issues des collisions e^+e^- à la résonance Upsilon(4S). L'analyse reconstruit les événements avec une technique relâchée des neutrinos. Nous obtenons les rapports d'embranchement partiels pour les désintégrations B^+--> êta l^+v et B^0--> pi^- l^+v en trois et douze intervalles de q^2, respectivement, à partir desquels nous extrayons les facteurs de forme f_+(q^2) et les rapports d'embranchement totaux B(B^+--> êta l^+v) = (3.39 +/- 0.46_stat +/- 0.47_syst) x 10^-5 et B(B^0--> pi^- l^+v) = (1.42 +/- 0.05_stat +/- 0.08_syst) x 10^-4. Nous mesurons aussi B(B^+--> êta' l^+v) = (2.43 +/- 0.80_stat +/- 0.34_syst) x 10^-5. Nous obtenons les valeurs de la norme de l'élément |V_ub| de la matrice CKM en utilisant trois calculs différents de la CDQ.

Hierarchy and anarchy in quark mass matrices, or can hierarchy tolerate anarchy?

The consequences of adding random perturbations (anarchy) to a baseline hierarchical model of quark masses and mixings are explored. Even small perturbations of the order of 5% of the smallest non-zero element can already give deviations significantly affecting parameters of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix, so any process generating the anarchy should in general be limited to this order of magnitude. The regularities of quark masses and mixings thus appear to be far from a generic feature of randomness in the mass matrices, and more likely indicate an underlying order. (C) 2001 Published by Elsevier B.V. B.V.

The flavor problem and discrete symmetries

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Light-Front model of transition form-factors in heavy meson decay

Electroweak transition form factors of heavy meson decays are important ingredients in the extraction of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) matrix elements from experimental data. In this work, within a. light-front framework, we calculate electroweak transition form factor for the semileptonic decay of D mesons into a pion or a kaon. The model results underestimate in both cases the new data of CLEO for the larger momentum transfers accessible in the experiment. We discuss possible reasons for that in order to improve the model.

Precision Measurement of the Ratio B(t -> Wb)/B(t -> Wq) and Extraction of V-tb

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)