TU Darmstadt / ULB / TUbiblio

Measurement of the Neutron-Neutron Scattering Length

Knösel, Marco (2023)
Measurement of the Neutron-Neutron Scattering Length.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024118
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

The ¹S₀ neutron-neutron scattering length aₙₙ characterizes the two-neutron interaction at low energies and therefore is a fundamental quantity in many broad research fields such as nuclear structure physics. There were numerous attempts to determine the scattering length in the past decades, some of them with contradicting results, also including more recent ones. The precise and accurate measurement of aₙₙ still remains challenging and to this day, in contrast to the proton-proton scattering length, no direct measurement via n-n scattering is feasible. In this work, a new approach to measure aₙₙ is presented that makes use of relativistic radioactive ion beams created at high energies, in order to investigate n-n scattering at low energies.

The experiment will be conducted at the "Radioactive Ion Beam Factory" of the research institute RIKEN in Japan and aims at the investigation of the free two-neutron system using the knockout reactions ⁶He(p,pα)2n and t(p,2p)2n. Furthermore, single-neutron events resulting from the d(p,2p)n reaction will serve for calibration and validation purposes.

In the case of the ⁶He(p,pα)2n reaction, the n-n scattering length is accessible by comparison of the experimentally determined two-neutron relative-energy spectrum to calculations using the effective field theory for halo nuclei, called "Halo EFT". For the t(p,2p)2n reaction, the corresponding calculations will instead be based on pionless EFT. For the purpose of this experiment, the new high-resolution neutron detector HIME is currently developed and constructed at the "Institut für Kernphysik" in Darmstadt, Germany. A prototype of that detector has already been built at RIKEN. In this work, it was taken in operation and tested with electronics from "Gesellschaft für Schwerionenforschung" in Darmstadt.

All reactions will take place in inverse kinematics with a beam energy of about 200 MeV/nucleon, resulting in two-neutron systems that move with relativistic velocity in the laboratory system. Thereby, a nearly constant neutron-detection efficiency in the relative-energy region of interest can be achieved. The measurements will be kinematically complete, which allows for a strong background suppression. In order to reach sufficient resolution, the relative-energy spectrum will be reconstructed by direct invariant-mass measurement, requiring coincident two-neutron detection. The analysis methods for the reconstruction of the primary interaction points in the neutron detector, which have been developed in this work, are tested and discussed with simulated data. Due to the limited resolution, efficiency and acceptance of the experimental setup, the measured relative-energy distribution cannot be compared directly to theoretical calculations. Different approaches of solving this issue are presented and discussed with simulated data as well.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Knösel, Marco
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Measurement of the Neutron-Neutron Scattering Length
Sprache: Englisch
Referenten: Aumann, Prof. Dr. Thomas ; Obertelli, Prof. Dr. Alexandre
Publikationsjahr: 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xiii, 153 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 31 Mai 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024118
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24118
Kurzbeschreibung (Abstract):

The ¹S₀ neutron-neutron scattering length aₙₙ characterizes the two-neutron interaction at low energies and therefore is a fundamental quantity in many broad research fields such as nuclear structure physics. There were numerous attempts to determine the scattering length in the past decades, some of them with contradicting results, also including more recent ones. The precise and accurate measurement of aₙₙ still remains challenging and to this day, in contrast to the proton-proton scattering length, no direct measurement via n-n scattering is feasible. In this work, a new approach to measure aₙₙ is presented that makes use of relativistic radioactive ion beams created at high energies, in order to investigate n-n scattering at low energies.

The experiment will be conducted at the "Radioactive Ion Beam Factory" of the research institute RIKEN in Japan and aims at the investigation of the free two-neutron system using the knockout reactions ⁶He(p,pα)2n and t(p,2p)2n. Furthermore, single-neutron events resulting from the d(p,2p)n reaction will serve for calibration and validation purposes.

In the case of the ⁶He(p,pα)2n reaction, the n-n scattering length is accessible by comparison of the experimentally determined two-neutron relative-energy spectrum to calculations using the effective field theory for halo nuclei, called "Halo EFT". For the t(p,2p)2n reaction, the corresponding calculations will instead be based on pionless EFT. For the purpose of this experiment, the new high-resolution neutron detector HIME is currently developed and constructed at the "Institut für Kernphysik" in Darmstadt, Germany. A prototype of that detector has already been built at RIKEN. In this work, it was taken in operation and tested with electronics from "Gesellschaft für Schwerionenforschung" in Darmstadt.

All reactions will take place in inverse kinematics with a beam energy of about 200 MeV/nucleon, resulting in two-neutron systems that move with relativistic velocity in the laboratory system. Thereby, a nearly constant neutron-detection efficiency in the relative-energy region of interest can be achieved. The measurements will be kinematically complete, which allows for a strong background suppression. In order to reach sufficient resolution, the relative-energy spectrum will be reconstructed by direct invariant-mass measurement, requiring coincident two-neutron detection. The analysis methods for the reconstruction of the primary interaction points in the neutron detector, which have been developed in this work, are tested and discussed with simulated data. Due to the limited resolution, efficiency and acceptance of the experimental setup, the measured relative-energy distribution cannot be compared directly to theoretical calculations. Different approaches of solving this issue are presented and discussed with simulated data as well.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Die ¹S₀-Neutron-Neutron-Streulänge aₙₙ charakterisiert die zwei-Neutronen-Wechselwirkung bei niedrigen Energien und ist daher eine fundamentale Größe in vielen umfassenden Forschungsfeldern, wie beispielsweise der Kernstrukturphysik. In den letzten Jahrzehnten gab es bereits zahlreiche Versuche, die Streulänge zu bestimmen, und viele Ergebnisse, einschließlich neueren, widersprechen sich. Die Messung von aₙₙ mit hoher Präzision und Genauigkeit ist auch heute noch ein herausforderndes Problem und im Gegensatz zur Proton-Proton-Streulänge ist bislang noch keine direkte Messung mittels n-n-Streuung realisierbar. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Ansatz vorgestellt, der bei hohen Energien erzeugte relativistische radioaktive Ionenstrahlen nutzt, um damit die n-n-Streuung bei niedrigen Energien zu untersuchen.

Das Experiment wird an der "Radioactive Ion Beam Factory" des Forschungsinstitutes RIKEN in Japan mit dem Ziel durchgeführt, das freie zwei-Neutronen-System unter Nutzung der Knockout-Reaktionen ⁶He(p,pα)2n und t(p,2p)2n zu untersuchen. Darüber hinaus werden Ereignisse einzelner Neutronen aus der Reaktion d(p,2p)n zu Kalibrierungs- und Validierungszwecken genutzt.

Im Fall der Reaktion ⁶He(p,pα)2n kann die Neutron-Neutron-Streulänge durch Vergleich der experimentell ermittelten Relativenergieverteilung mit Berechnungen der effektiven Feldtheorie für Halo-Kerne, der "Halo-EFT", bestimmt werden. Für die Reaktion t(p,2p)2n werden die entsprechenden Berechnungen stattdessen auf Basis der pionenfreien EFT durchgeführt. Zum Zweck des Experiments wird am "Institut für Kernphysik" in Darmstadt, Deutschland, ein neuer hochauflösender Neutronendetektor entwickelt und konstruiert. Ein Prototyp dieses Detektors wurde bereits an RIKEN gebaut, der in der vorliegenden Arbeit mit Elektronik der "Gesellschaft für Schwerionenforschung" in Darmstadt in Betrieb genommen und getestet wurde.

Alle Reaktionen werden in inverser Kinematik bei einer Strahlenergie von etwa 200 MeV/Nukleon stattfinden, wodurch im Laborsystem relativistische zwei-Neutronen-Systeme produziert werden. Dies gewährleistet eine nahezu konstante Effizienz im relevanten Relativenergiebereich. Die Messungen werden kinematisch vollständig durchgeführt, was eine starke Unterdrückung des Untergrundes ermöglicht. Um eine ausreichende Auflösung zu erreichen, wird das Relativenergiespektrum über die direkte Messung der invarianten Masse bestimmt, was die koinzidente Messung zweier Neutronen erfordert. Die Analysemethoden für die Rekonstruktion primärer Wechselwirkungspunkte im Neutronendetektor wurden im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und werden auf Grundlage simulierter Daten getestet und diskutiert. Aufgrund der begrenzten Auflösung, Effizienz und Akzeptanz des experimentellen Aufbaus kann die gemessene Relativenergieverteilung nicht unmittelbar mit theoretischen Berechnungen verglichen werden. Mögliche Lösungsansätze dieses Problems werden in dieser Arbeit aufgezeigt und ebenfalls anhand simulierter Daten diskutiert.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-241185
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Experimentelle Kernstrukturphysik mit exotischen Ionenstrahlen
TU-Projekte: DFG|SFB1245|A05 Aumann
Hinterlegungsdatum: 19 Jun 2023 12:06
Letzte Änderung: 20 Jun 2023 11:39
PPN:
Referenten: Aumann, Prof. Dr. Thomas ; Obertelli, Prof. Dr. Alexandre
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 31 Mai 2023
Export:
Suche nach Titel in: TUfind oder in Google
Frage zum Eintrag Frage zum Eintrag

Optionen (nur für Redakteure)
Redaktionelle Details anzeigen Redaktionelle Details anzeigen