Precisiemetingen van energiedistributie van elektronen in nucleair beta-verval

Ondanks het vele onderzoek naar β-verval gedurende de 21e eeuw, zijn er nog steeds vele vragen die beantwoord kunnen worden door precisiemetingen op de energiedistributie van de uitgestuurde elektronen. De vorm van het β spectrum reflecteert niet enkel de zwakke interactie, verantwoordelijk voor het verval, maar ze is ook gevoelig aan de sterke interactie, die de participerende quarks samenhoudt in de atoomkern. De elektromagnetische kracht speelt hierin ook een rol aangezien de uitgezonden elektronen interageren met de geladen atoomkern. Hierdoor zijn metingen van het β spectrum een zeer nutig middel om de interacties binnen het Standaard Model (SM) beter te begrijpen. Bovendien kunnen deze metingen een licht werpen op nieuwe fysica, als er verschillen worden waargenomen tussen de gemeten en verwachte spectrum vormen.

Eén van de open vragen is of de zwakke interactie Langrangiaan werkelijk enkel Vector en Axiale-vector stromen toelaat. Metingen van het β spectrum kunnen een antwoord bieden op deze vraag, omdat de exotische stromen, d.w.z. stromen van een andere vorm dan ’Vector’ of ’Axiale-vector’, de vorm van het spectrum beïnvloeden via de zogenoemde Fierz term b. Om gevoelig te zijn aan deze ’nieuwe fysica’ en te kunnen wedijveren met experimenten uitgevoerd aan de LHC in CERN, is een experimentele precisie van het niveau 10−3 noodzakelijk.

Wanneer precisie zo belangrijk is, wordt het succes van een experiment bepaald door het nauwgezet begrijpen van de systematische effecten. De grootste beperking in de precisie van een β spectrum meting zijn de eigenschappen van de energiegevoelige detector die gebruikt wordt in het experiment. Vooral de nauwkeurigheid waarmee de detector respons kan bepaald worden en de nauwkeurigheid van het theoretische model dat gebruikt wordt, zijn hierbij van belang. De miniBETA spectrometer was ontworpen om de β spectrum vorm te meten met een precisie van het 10−3 niveau. Het combineert een plastic scintillatie detector met  een -met speciaal gas gevulde-  dradenkamer,  waar de elektronen die door de bron worden uitgestuurd in drie dimensies kunnen getraceerd worden.

Door gebruik te maken van de plastic scintillatie detector kunnen de syste- matische effecten geïntroduceerd door het theoretische model geminimaliseerd worden. Bovendien wordt de kans dat de energie van het elektron volledig gedeponeerd wordt in de detector vergroot omwille van de kleine Z-waarde van het plastic. Hierdoor is de kans op processen als terugwaartse verstrooiing, remstraling en transmissie, immers minimaal, alsook de onzekerheid op de grootte van hun effect op het verwachte spectrum. Daarnaast zal het traceer algoritme deeltjes, die niet afkomstig zijn van de bron, filteren uit het opgemeten spectrum. Ten slotte laat de dradenkamer toe om terug-gestrooide elektronen te herkennen, waardoor dit effect nog verder gereduceerd wordt.

Deze thesis beschrijft de karakterisatie van de miniBETA spectrometer. Meerdere gasmengsels van helium en isobutaan werden getest als medium om deeltjes te traceren. Kalibraties van de dradenkamer respons werden gebaseerd op metingen van kosmische muonen. De gemiddelde efficiëntie voor het detecteren van een ioniserend deeltje in een enkele cel bereikte 0.98 voor mengsels bij 600 mbar en 0.95 bij 300 mbar.  De ruimtelijke resolutie voor   een enkele cel in het XY-vlak, bepaald door de drifttijd, werd voor dezelfde mengsels geschat op respectievelijk 0.4 mm en 0.8 mm. De ruimtelijke resolutie in het ZY-vlak, bepaald door het ladingsverschil aan weerszijden van de draad, werd geschat op een aantal mm. Een aantal correcties op systematische effecten werden onderzocht, zoals bv. een correctie op de positie shift van de afzonderlijke draden.

Er werd aangetoond dat het traceren van deeltjes de precisie van spectrum metingen verbeterde, mede door het feit dat de respons van de spectrometer afhankelijk is van de positie waar het deeltje de detector binnendringt. Een eerste kalibratie van de energie respons werd gedaan met een 207Bi bron. Deze was gebaseerd op het fitten van het gemeten spectrum aan een gesimuleerd spectrum in combinatie met een convolutie. Met deze methode werd een resolutie van ρ1MeV = 7.6% gevonden voor het prototype.  De onzekerheid  op de conversieparameters die het bepalen van energieafhankelijke termen  in het β  spectrum,  zoals de Fierz term en zwak  magnetisme,  verhindert,  is 5*10−3. Deze waarden zullen significant verbeteren in een nieuwe opstelling met geoptimaliseerde scintillatie detector en een betere homogeniteit van de energierespons.