High precision neutron polarization for PERC

Abstract

The decay of the free neutron into a proton, an electron and an anti-electron neutrino offers a simple system to study the semi-leptonic weak decay. High precision measurements of angular correlation coefficients of this decay provide the opportunity to test the standard model on the low energy frontier. The Proton Electron Radiation Channel PERC is part of a new generation of expriments pushing the accuracy of such an angular correlation coefficient measurement towards 10$ {-4}$. Past experiments have been limited to an accuracy of 10$ {-3}$ with uncertainties on the neutron polarization as one of the leading systematic errors. This thesis focuses on the development of a stable, highly precise neutron polarization for a large, divergent cold neutron beam. A diagnostic tool that provides polarization higher than 99.99 \% and analyzes with an accuracy of 10$ {-4}$, the Opaque Test Bench, is presented and validated. It consists of two highly opaque polarized helium cells. The Opaque Test Bench reveals depolarizing effects in polarizing supermirrors commonly used for polarization in neutron decay experiments. These effects are investigated in detail. They are due to imperfect lateral magnetization in supermirror layers and can be minimized by significantly increased magnetizing fields and low incidence angle and supermirror factor m. A subsequent test in the crossed (X-SM) geometry demonstrated polarizations up to 99.97\% from supermirrors only, improving neutron polarization with supermirrors by an order of magnitude.<br />The thesis also discusses other neutron optical components of the PERC beamline: Monte-Carlo simulations of the beamline under consideration of the primary guide are carried out. In addition, calculation shows that PERC would statistically profit from an installation at the European Spallation source. Furthermore, beamline components were tested. A radio-frequency spin flipper was confirmed to work with an efficiency higher than 0.9999.<br />

Der Zerfall des freien Neutrons in Proton, Elektron und Anti-Elektron-Neutrino ist ein einfaches System, welches erlaubt, den semi-leptonischen Zerfall in der schwachen Wechselwirkung zu untersuchen. Hochpräzisionsmessungen von Winkelkorrelationskoeffizienten dieses Zerfalls sind eine Möglichkeit, das Standardmodell der Teilchenphysik zu prüfen. Der Proton Electron Radiation Channel PERC ist Teil einer neuen Generation von Experimenten, welche die Messung solcher Winkelkorrelationskoeffizienten mit einer Genauigkeit von $10 {-4}$ zum Ziel haben. Vergangene Experimente waren auf eine Genauigkeit von $10 {-3}$ beschränkt, wobei einer der größten systematischen Fehler die Ungenauigkeit der Neutronenpolarisation war. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung einer stabilen, hochpräzisen Neutronenpolarisation für einen divergenten kalten Neutronenstrahl mit großem Querschnitt. Die "Opaque Test Bench", ein Versuchsaufbau welcher den Strahl auf mehr als 99.99\% polarisiert und ihn mit einer Genauigkeit von $10 {-4}$ analysiert, wird beschrieben und validiert. Es besteht aus zwei stark opaken polarisierten Heliumzellen.<br />Depolarisierende Effekte in polarisierenden Superspiegeln, welche üblicherweise zur Polarisation in Neutronenzerfallsexperimenten benutzt werden, werden in der Opaque Test Bench offenbar. Diese Effekte werden detailliert untersucht. Sie sind durch imperfekte laterale Magnetisierung in den einzelnen Superspiegelschichten bedingt und können durch ein signifikant erhöhtes Magnetfeld sowie durch kleine Einfallswinkel und die Verwendung kleiner m-Werte minimiert werden. In einem daraus folgendern Test in der gekreuzten (X-SM) Geometrie wurden Polarisationen nur durch Superspiegel bis zu 99.97\% gemessen. Dies verbessert die Neutronenpolarisation durch Superspiegel um eine Größenordnung.<br />Diese Dissertation untersucht ferner andere neutronenoptische Komponenten der PERC Beamline. So wurden Monte-Carlo-Simulationen der Beamline zum Primärleiter durchgeführt. Zudem wurde durch Rechnung gezeigt, dass ein Aufbau von PERC an der European Spallation Source statistische vorteilhaft wäre. Des Weiteren wurden Beamline-Komponenten experimentell getestet. Die Effizienz eines Radiofrequenz-Spinflippers wurde als besser als 0.9999 bestimmt.<br />