tauSPECT

Einführung

Das Experiment τSPECT ist ein Speicherexperiment zur Bestimmung der Lebensdauer freier Neutronen. Anders als bisherige Speicherexperimente werden die Neutronen jedoch nicht in materiellen Gefäßen, sondern mit Hilfe von Magnetfeldern dreidimensional gespeichert. Nach verschiedenen Speicherzeiten werden die nicht zerfallenen Neutronen jeweils nachgewiesen. Die Zahl der gemessenen Neutronen aufgetragen gegen die jeweilige Speicherzeit, liefert dann eine exponentiell abfallende, mit der die Lebensdauer bestimmt werden kann.

Der β-Zerfall

Jedes physikalische System strebt nach einer Minimierung seiner Energie. Da Neutron und Proton in ihrem Aufbau sehr ähnlich sind (beide bestehen aus jeweils drei Valenzquarks - Neutron: udd bzw. Proton: uud), kann das etwas schwerere Neutron mit mn = 939 MeV unter Abstrahlung eines W--Bosons in das leichtere Proton mit mp = 938 MeV zerfallen. Die Umwandlung des W--Bosons in ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino macht den β-Zerfall komplett.

Strahl- vs. Speicherexperiment

Zur Bestimmung der Neutronenlebensdauer gibt es im Wesentlichen zwei Experimenttypen:

Strahlexperimente bedienen sich eines kalten Neutronenstrahls und weisen die Zerfallsprotonen in einem definierten Volumen nach. Diese Anzahl wird mit der Zahl der Neutronen im Strahl ins Verhältnis gesetzt, welches exponentiell von der Lebensdauer abhängt. Die besondere Schwierigkeit dieses Experiments ist allerdings, dass zwei unterschiedliche Detektortypen (jeweils für Protonen und Neutronen) eingesetzt werden müssen und diese jeweils verschiedene Effizienzen aufweisen. Ein Vergleich von Protonen- und Neutronenzahl ist daher nur unter absoluter Kenntnis der Detektionseffizienzen möglich.

In Speicherexperimenten werden ultrakalte Neutronen in einem Volumen eingesperrt und nach einer variablen Speicherzeit die überlebenden Neutronen gezählt. Für verschiedene Speicherzeiten erhält man einen exponentiellen Abfall in der Zahl der nachgewiesenen Neutronen, welcher im Idealfall der reinen Lebensdauer entspricht, sofern keine Neutronen durch andere Mechanismen verloren gehen.

Beide Experimentarten liefern bisher Ergebnisse mit einer Genauigkeit von weniger als einer Sekunde. Aller-dings liegen die gemessenen Lebensdauern bei etwa 888 s mit der Strahlmethode und bei etwa 878 s mit der Speichermethode. Diese Diskrepanz (auch bekannt als neutron lifetime puzzle) kann bisher nicht erklärt werden.