Elektronenspektroskopie mit Instrument PERC

Dieser Antrag beschäftigt sich mit Fragen aus der Teilchenphysik, die sich mit neuen physikalischen Modellen jenseits des Standardmodells befassen, insbesondere mit der Frage nach der Vereinheitlichung aller Kräfte kurz nach dem Urknall. Diese große Vereinheitlichung ist nicht Teil des Standardmodells und neue Symmetriekonzepte müssen gefunden werden. In Reichweite liegen präzise Symmetrietests verschiedenster Art, wobei mit dem vorgeschlagenen Instrument PERC die Zählraten der Neutronzerfallsprodukte um einen Faktor 100 im Vergleich zu anderen Experimenten gesteigert werden können. Unser Ziel sind Elektronspektroskopieexperimente, bei der Spektren- und Winkelverteilung verzerrungsfrei auf dem 10-4- Niveau gemessen werden können.

Das Standardmodell (SM) der Teilchenphysik ist eine Theorie, die alle Wechselwirkungen der Elementarteilchen beschreibt, mit Ausnahme der Gravitation. Obwohl das SM eine Vielzahl von experimentellen Ergebnissen erklärt, ist es noch keine vollständige Theorie der fundamentalen Wechselwirkungen und Erweiterungen des SM sind notwendig. Präzisionsmessungen der den Betazerfall freier Neutronen beschreibenden Parameter dienen dazu, Theorien jenseits des SM untersuchen, wie z.B. Supersymmetrie (SUSY) und große Vereinheitlichungstheorien (GUT). Komplementär zur direkten Suche nach neuen Teilchen in der Hochenergiephysik mit Beschleunigern, untersuchen wir indirekt die Existenz solcher Teilchen und liefern Einschränkungen für neue Physik mit Hochpräzisions- und Hochstatistik-Experimenten. Zu diesem Zweck entwickeln wir das Instrument PERC (Proton Electron Radiation Channel). Am Ausgang liefert es Neutronenzerfallsprodukte unter wohldefinierten und präzise variablen Bedingungen. Je nach untersuchten Parametern erfolgt die Analyse der extrahierten Teilchen mit unterschiedlichen, spezialisierten Detektoren. So können wir Energiespektren und Winkelkorrelationen der Zerfallsprodukte mit beispielloser Präzision messen. Hauptziel dieses Projekts waren Planung und Bau des Instruments PERC in Kooperation mit der Universität Heidelberg in Deutschland. Nach Abschluss der Planung des supraleitenden Magnetspulensystems wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft eine europaweite Ausschreibung für die Produktion des Magnetsystems veröffentlicht. PERC wurde bei BNG in Würzburg bestellt und wird in den nächsten 15 Monaten gebaut werden. Die Hauptkomponente von PERC ist das mehr als 11 m lange Magnetsystem, welches ein starkes, longitudinales Magnetfeld von 0,5 T bis 6 T erzeugt. Um andere Experimente in der Umgebung von PERC nicht zu stören, haben wir eine Magnetfeldrückführung geplant. Die Magnetfeldrückführung unterdrückt das magnetische Streufeld auf Herzschrittmachergrenze, ohne dabei das interne Magnetfeld und seine Homogenität von bis zu 10-4 zu stören. Weiteres Ziel waren Planung und Bau eines Systems zur Elektronenimpulsspektroskopie. Dazu schlagen wir einen neuen Typ von Impulsspektrometer vor, bei dem die Teilchenimpulse nach ihrer Drift in einem kreisförmig gekrümmten Magnetfeld getrennt werden. Vorteile des Spektrometers sind, dass alle Teilchen adiabatisch transportiert werden und dass Teilchen mit sehr kleinem Impuls (Dispersion kleiner als Blendenbreite) gemessen werden können. Darüber hinaus haben wir am Atominstitut eine Detektoreinheit des Elektronenspektrometers PERKEO III aufgestellt, um die Performance eines Plastikszintillators mit Photoverfielfacher-Auslese bei den an PERC geplanten hohen Zählraten zu testen und zu verbessern.