Experimental set-up and first measurements of the neutron lifetime using PENeLOPE

• Antragsteller: Professor Dr. Stephan Paul
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 167645463

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Lebensdauer des freien Neutrons τn ist ein sehr wichtiger Eingangsparameter für die Teilchen- und Astrophysik. Aufgrund der elektrischen Neutralität des Neutrons und seiner langen Lebensdauer von etwa 15 Minuten ist es jedoch schwierig, sie zu messen. Derzeitige Messungen der Neutronenlebensdauer lassen sich in Verschwindungs- oder Erscheinungsmessungen einteilen, je nachdem, ob man die in einem Speichervolumen verbliebenen Neutronen (Verschwindungsmethode) oder die aus einem bekannten Zerfallsvolumen heraus emittierten Zerfallsteilchen (Erscheinungsmethode) zählt. Momentan besteht eine Diskrepanz von etwa 4σ zwischen den Ergebnissen der beiden Methoden. PENeLOPE (Precision Experiment for Neutron Lifetime Operating with Proton Extraction), eine Magneto-Gravitationsfalle für ultrakalte Neutronen zielt darauf ab, die derzeit beste Messung der Neutronenlebensdauer von τ_n,UCNτ = 877.75 ± 0.28._stat +0.22−0.16,syst s um a etwa einen Faktor drei zu verbessern. TRIUMF baut derzeit eine UCN-Quelle der nächsten Generation, die superfluides Helium verwendet und von einem Spallationstarget angetrieben wird. Wir schlagen vor, PENeLOPE an dieser Quelle aufzubauen und das Experiment durchzuführen, sobald ihr zweiter experimenteller Anschluss für die internationale Nutzergemeinschaft geöffnet ist. Unsere Simulationen der TUCAN-Quelle und des PENeLOPE-Experiments zeigen, dass eine statistische Genauigkeit von 0.1 s innerhalb weniger Wochen erreicht werden kann.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A superconducting magnet UCN trap for precise neutron lifetime measurements. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology, 110(4), 357.
  Picker, R.; Altarev, I.; Brocker, J.; Gutsmiedl, E.; Hartmann, J.; Muller, A.; Paul, S.; Schott, W.; Trinks, U. & Zimmer, O.
  
• A low-temperature proton detector for a neutron lifetime experiment. 2007 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (2007), 2301-2302. IEEE.
  Muller, A. R.; Altarev, I.; Angerer, H.; Hartmann, F. J.; Paul, S. & Picker, R.
  
• PAFF, a low-energy, low-flux proton accelerator for detector tests. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 582(2), 395-400.
  Müller, A.R.; Hartmann, F.J.; Paul, S.; Petzoldt, G.; Picker, R.; Simson, M.; Wirth, H.-F.; Zimmer, O. & Carli, W.
  
• The proton extraction system for PENeLOPE, a new neutron lifetime experiment In I. Tserruya, A. Galand D. Ashery, editors, Proc. of 18tf Part. and Nucl. Int. Conf. - PANIC08, page 647f. Elsevier, 2008
  R. Picker; et al.
  
• A low-temperature proton detector for a neutron lifetime experiment. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 611(2-3), 289-292.
  Müller, A.R.; Altarev, I.; Angerer, H.; Gutsmiedl, E.; Hartmann, F.J.; Materne, S.; Paul, S. & Picker, R.
  
• Investigation of titanium and polyethylene as UCN absorber materials with AbEx. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 611(2-3), 297-301.
  Picker, R.; Altarev, I.; Amos, P.; Franke, B.; Geltenbort, P.; Gutsmiedl, E.; Hartmann, F.J.; Mann, A.; Materne, S.; Müller, A.R.; Paul, S.; Stoepler, R. & Wirth, H.-F.
  
• Magnetic storage of UCN for a measurement of the neutron lifetime. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 611(2-3), 167-170.
  Ezhov, V.F.; Andreev, A.Z.; Ban, G.; Bazarov, B.A.; Geltenbort, P.; Hartman, F.J.; Glushkov, A.G.; Groshev, M.G.; Knyazkov, V.A.; Kovrizhnykh, N.A.; Naviliat-Cuncic, O.; Krygin, G.B.; Mueller, A.; Paul, S.; Picker, R.; Ryabov, V.L.; Serebrov, A. & Zimmer, O.
  
• PENeLOPE—on the way towards a new neutron lifetime experiment with magnetic storage of ultra-cold neutrons and proton extraction. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 611(2-3), 176-180.
  Materne, S.; Picker, R.; Altarev, I.; Angerer, H.; Franke, B.; Gutsmiedl, E.; Hartmann, F.J.; Müller, A.R.; Paul, S. & Stoepler, R.
  
• The puzzle of neutron lifetime. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 611(2-3), 157-166.
  Paul, Stephan
  
• Transmission measurements of guides for ultra-cold neutrons using UCN capture activation analysis of vanadium. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 612(2), 349-353.
  Frei, A.; Schreckenbach, K.; Franke, B.; Hartmann, F.J.; Huber, T.; Picker, R.; Paul, S. & Geltenbort, P.
  
• The neutron and the Universe - History of a relationship. Proceedings of 50th International Winter Meeting on Nuclear Physics — PoS(Bormio2012) (c(2012, 10, 12)), 025. Sissa Medialab.
  Paul, Stephan
  
• Polarizing Ultra-Cold Neutrons for the Superconducting Trap PENeLOPE. Next Generation Experiments to Measure the Neutron Lifetime (c(2014, 3, 27)), 155-165. WORLD SCIENTIFIC.
  PICKER, R.; SCHREYER, W.; HAAS, F.; HARTMANN, F.J.; LOSEKAMM, M.; PAUL, S.; STOEPLER, R. & TIETZE, C.
  
• Intelligent FPGA data acquisition framework. 2016 IEEE-NPSS Real Time Conference (RT) (c(2016, 6)), 1-2. IEEE.
  Bai, Yunpeng; Gaisbauer, Dominic; Huber, Stefan; Konorov, Igor; Levit, Dmytro; Steffen, Dominik & Paul, Stephan
  
• Self-triggering readout system for the neutron lifetime experiment PENeLOPE. Journal of Instrumentation, 11(02), C02068-C02068.
  Gaisbauer, D.; Bai, Y.; Konorov, I.; Paul, S. & Steffen, D.
  
• Self-triggering readout system for the neutron lifetime experiment PENeLOPE. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 824(c(2016, 7)), 290-291.
  Gaisbauer, D.; Konorov, I.; Steffen, D. & Paul, S.
  
• Unified communication framework. 2016 IEEE-NPSS Real Time Conference (RT) (c(2016, 6)), 1-2. IEEE.
  Gaisbauer, Dominic; Bai, Yunpeng; Huber, Stefan; Konorov, Igor; Levit, Dymitro; Paul, Stephan & Steffen, Dominik
  
• Consistent description of UCN transport properties, arXiv:1701.07431v1 [physics.insdet], 2017
  S. Wlokka; P. Fierlinger; A. Frei; P. Geltenbort; S. Paul; T. Pöschl; F. Schmid; W. Schreyer & D. Steffen
  
• Intelligent FPGA Data Acquisition Framework. IEEE Transactions on Nuclear Science, 64(6), 1219-1224.
  Bai, Yunpeng; Gaisbauer, Dominic; Huber, Stefan; Konorov, Igor; Levit, Dmytro; Steffen, Dominik & Paul, Stephan
  
• PENTrack—a simulation tool for ultracold neutrons, protons, and electrons in complex electromagnetic fields and geometries. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 858(c(2017, 6)), 123-129.
  Schreyer, W.; Kikawa, T.; Losekamm, M.J.; Paul, S. & Picker, R.