PENeLOPE (Projekt) (im Aufbau)

PENELOPE Schema

Die Lebensdauer des freien Neutrons ist ein wichtiger Parameter im Standardmodell der Teilchenphysik und hat unter anderem großen Einfluss auf die Elementbildung im frühen Universum.

Große Unterschiede zwischen den zuletzt durchgeführten, bisher genauesten Messungen haben die PDG (Particle Data Group) gezwungen, den Weltdurchschnitt für die Neutronenlebensdauer τ_n = 880,1 ± 1,1 s zu senken und die Fehlergrenze in den letzten zwei Jahren mehrmals zu erhöhen. Demzufolge ist ein neues und komplementäres Experiment zur genauen Bestimmung der Neutronenlebensdauer erforderlich.

Ziel von PENeLOPE ist es, die Neutronenlebensdauer mit statistischen und systematischen Unsicherheiten von weniger als 0,1 s zu ermitteln. Die Bestimmung erfolgt mit Hilfe von ultrakalten Neutronen (UCN), welche durch Magnetfelder und Gravitation eingesperrt sind.

Die UCN, die von der derzeit im Bau befindlichen UCN-Quelle geliefert werden, sollen mit einer magnetisierten Folie polarisiert und in eine magnetische Speicherflasche geführt werden. Ein von mehreren normalleitenden Spulen erzeugtes Magnetfeld bewahrt ihre Polarisation. In der Speicherflasche werden UCN mit Energien größer als dem des begrenzenden Potential des Magnetfeldes durch einen Absorber entfernt.

Nach diesem spektralen Reinigungsschritt werden die supraleitenden Spulen in der Wand der Flasche eingeschaltet. Die großen magnetischen Gradienten halten die Neutronen von der Wand fern, wodurch Neutronen-Verluste durch Kollisionen mit der Wand fast vollständig verhindert werden.

Aufgrund der Schwerkraft können die UCN nicht aus der Falle “springen”. Somit kann die Speicherflasche offen bleiben und ein Detektor montiert werden, um direkt die Zerfallsprodukte (Protonen und Elektronen), die während der Speicherzeit durch den Neutronenzerfall entstehen, zu bestimmen.

Nach einer bestimmten Speicherzeit werden die Spulen wieder abgeschaltet und die verbliebenen Neutronen in einem UCN Detektor gezählt. Dies wird für unterschiedliche Speicherzeiten durchgeführt und so die Neutronen-Lebensdauer bestimmt.

Diese Kombination zweier sich ergänzender Messtechniken und niedriger systematischer Fehlern sollte es PENeLOPE ermöglichen, eine beispiellose Präzision zu erreichen.