Measurement of the proton recoil spectrum in neutron beta decay with the spectrometer aSPECT : study of systematic effects

Precision measurements of observables in neutron beta decay address important open questions of particle physics and cosmology. In this thesis, a measurement of the proton recoil spectrum with the spectrometer aSPECT is described. From this spectrum the antineutrino-electron angular correlation coefficient a can be derived. In our first beam time at the FRM II in Munich, background instabilities prevented us from presenting a new value for a. In the latest beam time at the ILL in Grenoble, the background has been reduced sufficiently. As a result of the data analysis, we identified and fixed a problem in the detector electronics which caused a significant systematic error. The aim of the latest beam time was a new value for a with an error well below the present literature value of 4%. A statistical accuracy of about 1.4% was reached, but we could only set upper limits on the correction of the problem in the detector electronics, too high to determine a meaningful result. This thesis focused on the investigation of different systematic effects. With the knowledge of the systematics gained in this thesis, we are able to improve aSPECT to perform a 1% measurement of a in a further beam time.Präzisionsmessungen von Observablen im Neutronenbetazerfall sind motiviert durch wichtige offene Fragen der Teilchenphysik und Kosmologie. In dieser Doktorarbeit wird eine Messung des Protonenrückstoßspektrums mit dem Spektrometer aSPECT beschrieben. Aus dem Protonenspektrum lässt sich der Antineutrino-Elektron Winkelkorrelationskoeffizient a ableiten. Bei unserer ersten Strahlzeit am FRM II in München (2005-2006) haben uns Untergrundinstabilitäten daran gehindert, einen neuen Wert für a zu präsentieren. Bei der letzten Strahlzeit am ILL in Grenoble (2007-2008) wurde der Untergrund ausreichend reduziert. Als Ergebnis der Datenanalyse haben wir ein Problem in der Detektorelektronik identifiziert und behoben, welches einen signifikanten systematischen Fehler verursacht hat. Das Ziel der letzten Strahlzeit war ein neuer Wert für a mit einem relativen Gesamtfehler von weniger als dem gegenwärtigen Literaturwert von 4%. Zwar wurde eine statistische Genauigkeit von rund 1.4% erreicht, allerdings konnten wir für die Korrektur des Problems in der Detektorelektronik nur Obergrenzen festlegen, welche zu hoch sind, um ein aussagekräftiges Ergebnis zu bestimmen. Im Mittelpunkt der vorliegenden Doktorarbeit stand die Untersuchung von verschiedenen systematischen Effekten. Mit den Erkenntnissen über die systematischen Effekte, die in dieser Arbeit gewonnen wurden, sind wir in der Lage, das aSPECT Spektrometer zu verbessern, um eine 1% Messung von a in einer weiteren Strahlzeit durchzuführen