Repository logo

Browsing by Author "Mazzocchi , Chiara"

  • Thumbnail Image
    Item
    A prototype apparatus for measurement of the correlation coefficients in the β-decay of a free polarized neutron – BRAND-0 experiment
    (The Henryk Niewodniczański Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2023) Dhanmeher, Karishma; Pysz, Krzysztof; Mazzocchi , Chiara; Kuźniak, Marcin; Stephan, Elżbieta
    W złożonej pracy doktorskiej przedstawiono rezultaty pierwszej fazy prac nad budową aparatury pomiarowej dla eksperymentu BRAND. W tym eksperymencie planuje się zmierzenie 11 współczynników kinematycznych korelacji między parametrami produktów rozpadu β swobodnego neutronu o określonej orientacji spinu. W tym celu konieczne jest zmierzenie czteropędów elektronu i protonu, polaryzacji spinowej elektronu oraz odwikłanie wielkości energii i pędu antyneutrina elektronowego. Współczynniki korelacji określają udział poszczególnych konfiguracji kinematycznych we wzorze na rozkład energetyczno-kątowy produktów reakcji rozpadu β. W najbardziej ogólnym sformułowaniu Hamiltonianu oddziaływania słabego, oprócz współczynników występujących w aktualnej teorii V-A (składowe wektorowa i aksjalna) dopuszcza się też współczynniki zależne od teoretycznie możliwych oddziaływań skalarnych i tensorowych (S, T). Wykazanie niezerowych wartości takich współczynników korelacji wskazywałoby na istnienie oddziaływań spoza Modelu Standardowego. Dla części z nich w sposób konieczny nie jest zachowywana symetria odwrócenia czasu. Wobec paradygmatu bezwzględnego zachowania globalnej symetrii CPT, badania te są zatem przyczynkiem m. in. do poszukiwań procesów odpowiedzialnych za niezachowanie symetrii CP powodujących dominacje materii nad antymaterią we Wszechświecie. Pierwsza faza eksperymentu BRAND oznaczona jako BRAND-0 polegała na budowie niewielkiego zestawu prototypowego umożliwiającego, przy ograniczonej akceptancji geometrycznej, rejestrację elektronu i protonu z rozpadu β oraz określenie orientacji spinu elektronu. Jej celem było głównie wypracowanie rozwiązań technicznych i metod analizy danych oraz ich doświadczalna weryfikacja, tak aby zebrać wiedzę konieczną do budowy aparatury wymaganej w następnym etapie eksperymentu. Omawiana praca doktorska zawiera opis budowy i testów tej części tego zestawu eksperymentalnego, która dotyczy rejestracji elektronów pochodzących z rozpadu β. Nazywana jest ona polarymetrem Motta, gdyż umożliwia nie tylko pomiar energii i pędu elektronu ale również orientację przestrzenną jego spinu. Do tego celu wykorzystywane jest rozpraszanie Motta elektronów na cienkiej folii ołowianej. Zbudowany i badany zestaw (polarymetr Motta) składa się z (i) komory dryfowej (MWDC, traker) o heksagonalnych komórkach, wypełnionej mieszanką helu i dwutlenku węgla z niewielka domieszką oparów etanolu; (ii) cienkiej folii mylarowej z napyloną warstewka ołowiu, zainstalowaną wewnątrz trakera i służącą jak tarcza to rozpraszania Motta; (iii) dwóch detektorów scyntylacyjnych umieszczonych wewnątrz trakera, służących do rejestracji elektronów rozproszonych na tarczy Motta (detektory Motta); (iv) detektora scyntylacyjnego służącego do rejestracji elektronów, które nie zostały rozproszone na tarczy Motta (tylny scyntylator). Detektory te, po ich montażu, stanowią jedną całość. Detektory scyntylacyjne dostarczają sygnału tryggera dla układu akwizycji danych (DAQ). Trójwymiarową rekonstrukcję trajektorii elektronów w MWDC uzyskuje się poprzez pomiar czasów dryfu elektronów jonizacji w jego poszczególnych komórkach (płaszczyzna XY) oraz z asymetrii ładunków sygnałów zmierzonych na obu końcach drutów anodowych poszczególnych komórek trakera (płaszczyzna XZ). Wszystkie sygnały, zarówno czasowe (czasy dryfu) jak i amplitudowe - sygnały ze scyntylatorów (energia) oraz sygnały z końców drutów anodowych (ładunek) są dygitalizowane w wielokanałowym konwerterze czasowo-cyfrowym (Multihit TDC). W tym celu sygnały amplitudowe są przetwarzane na sygnały czasowe przy pomocy wykonanych przez grupę BRAND konwerterów amplituda-czas. Aparatura prototypowa BRAND-0 została przetestowana na wiązce spolaryzowanych, zimnych neutronów PF1B w instytucie ILL w Grenoble (Francja). Praca doktorska zawiera szczegółowy opis prac związanych z budową i optymalizacją aparatury prototypowej w zakresie dotyczącym polarymetru Motta oraz budowy próżniowej komory rozpadu neutronów wraz w cienkim oknem próżniowym. Prezentuje też obszerny opis testów laboratoryjnych jak i tych przeprowadzonych podczas pomiaru w ILL. Przedstawione są metody analizy zebranych danych, koniecznych kalibracji, oraz ich rezultaty. Stwierdzono zadowalające działanie detektora MWDC w zakresie stabilności pracy, wydajności detekcji oraz pomiaru trajektorii elektronów z rozpadu β przy użyciu metody pomiaru czasu dryfu elektronów jonizacji ośrodka (składowa Y). Rozdzielczość przestrzenna pomiaru śladów w tym przypadku mieści się w zakresie 0.3 – 0.8 mm (w zależności od położenia geometrycznego trajektorii) i jest wystarczająca do identyfikacji sygnału oraz określenia odpowiednich składowych pędu elektronu. Dużo gorsza rozdzielczość przestrzenną uzyskano dla metody podziału ładunku wzdłuż drutów anodowych (składowa Z). Rozdzielczość ta jest najlepsza dla trajektorii mierzonych w centralnej części drutów (13 mm) i pogarsza się w kierunku końców drutów osiągając wartość nawet 25 mm. Podobnie niezadowalającą rozdzielczość stwierdzono dla pomiarów energii z wszystkich detektorów scyntylacyjnych. W przypadku tylnego scyntylatora jest to 16 % dla energii padających elektronów ok. 1 MeV. Przy niższych energiach rozdzielczość energetyczna jeszcze się pogarsza. W przypadku detektorów Motta, w testach, nie uzyskano rozdzielenia linii kalibracyjnych ze źródła elektronów 207Bi w widmie energetycznym, co uniemożliwia zmierzenia rozdzielczości energetycznej tego detektora. Przeprowadzone testy laboratoryjne pozwoliły zidentyfikować przyczynę problemów z precyzyjnym pomiarem energii i ładunku w eksperymencie BRAND-0. Odpowiedzialny jest wadliwie działający układ konwertera amplituda-czas, który powoduje znaczne zmiany długości uzyskanych sygnałów czasowych, przy nawet minimalnych fluktuacjach poziomu linii bazowej sygnału amplitudowego, typowych dla używanej aparatury i warunków eksperymentalnych. Jest to zasadnicza wada elektroniki odczytu aparatury BRAND-0, która będzie usunięta w jej następnej wersji. W pracy obszernie przedstawiono również środowisko eksperymentalne PF1B w ILL Grenoble, omówiono kluczowe parametry wiązki neutronów, przeprowadzono analizę energetyczną i przestrzenną pochodzenia tła eksperymentalnego obserwowanego w rejestrowanych widmach. Przygotowano również model aparatury eksperymentu BRAND-0 i przeprowadzono obszerne symulacje z użyciem pakietu Geant4. Wspomogło to zrozumienie efektów oddziaływania wiązki neutronów z elementami aparatury BRAND-0 oraz identyfikacje głównych komponentów tła eksperymentalnego. Stwierdzona słaba rozdzielczość przestrzenna (w kierunku Z) oraz niewystarczająca rozdzielczość energetyczna wszystkich detektorów scyntylacyjnych, uniemożliwia obecnie pomiar współczynników korelacji A, N, R, które w pierwszej kolejności powinny być zmierzone w eksperymencie BRAND. Innymi przeszkodami w określeniu tych współczynników jest duży udział tła eksperymentalnego w zebranych danych, które nie może być odfiltrowane, oraz niska statystyka zdarzeń. Uzyskane wyniki jasno wskazują konieczność modyfikacji pewnych metod detekcyjnych i obróbki sygnału w eksperymencie BRAND. Wypracowane metody analizy danych, kalibracji i określania trajektorii śladów elektronów są przyczynkiem do prac badawczych BRAND, które będą prowadzone w przyszłości. Tak samo użyteczne dla dalszych prac BRAND są zidentyfikowane źródła tła eksperymentalnego w pomiarach prowadzonych w PF1B w ILL Grenoble, oraz stworzony model do symulacji eksperymentu przy pomocy pakietu Geant4.