The Pion Beta Experiment: Calibrations and Developments

<BODY BACKGROUND="web_diss.html" BGCOLOR="#FFFFFF" TEXT="#000000"> <IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/noleftg.gif" ALT="previous" border=0> <A HREF="web_diss-1.html"><IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/rightg.gif" ALT="next" border=0></A> <IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/noupg.gif" ALT="Up " border=0> <IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/notopg.gif" ALT="Title " border=0> <A HREF="web_diss-Contents.html"><IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/contg.gif" ALT="Contents " border=0></A> <A HREF="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/web_diss-Index.html"><IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/indexg.gif" ALT="Index" border=0></A> <hr size=4> <H1> <center>The Pion Beta Experiment: Calibrations and Developments</center></H1> <center>The Pion Beta Decay Experiment:</center><p> <center><i>Calibrations and Developments</i></center><p> <center>INAUGURAL-DISSERTATION</center><p> <center>ZUR</center><p> <center>ERLANGUNG DER PHILOSOPHISCHEN DOKTORWÜRDE</center><p> <center>VORGELEGT DER</center><p> <center>PHILOSOPHISCHEN FAKULTÄT II</center><p> <center>DER</center><p> <center>UNIVERSITÄT ZÜRICH</center><p> <center>VON</center><p> <center>CHRISTIAN BRÖNNIMANN</center><p> <center>AUS ZIMMERWALD</center><p> <center>BEGUTACHTET VON</center><p> <center>Prof. Dr. Roland E. Engfer</center><p> <center>ZÜRICH 1996</center><p> <center>Die vorliegende Arbeit wurde von der Philosophischen Fakultät II der Universität Zürich auf Antrag von Prof. Dr. Roland E. Engfer als Inaugural-Dissertation angenommen.</center><p> <center><i>Für Barbara, David, Tabea und Julian</i></center><p> <center>Abstract</center><p> The pion beta decay <sub> <IMG SRC="web_diss01.gif"></sub> is one of the fundamental semileptonic weak-interacting processes. A precise determination of the pion beta decay rate provides a stringent test of the unitarity of the Cabbibo-Kobayashi-Maskava (CKM) mixing matrix. A failure of the test could signal extensions to the standard model of the electro-weak interactions. The existing discrepancy between superallowed Fermi decay and neutron beta decay, as well as the level of accuracy of the previous experiments call for a re-measurement of the pion beta-decay rate. The experimental difficulty in determining the beta-decay rate of the charged pion originates from the very small branching ratio of 10<sup>-8</sup>.<p> A new precision experiment is in progress at the Paul Scherrer Institute (PSI) in Switzerland. The essential part of the detector is a calorimeter consisting of crystals made of pure Cesium Iodide (CsI). The CsI-crystals have good energy resolution and high rate capability.<p> Special test methods were developed to measure the properties of the pure CsI-crystals. The response of the crystals to 70MeV positrons and photons was measured and a difference in energy resolution for the two particle types was observed. The resulting low energy tail of the response agrees with Monte Carlo simulations of the electromagnetic showers in the crystals.<p> In order to perform the experiment at the desired beam rate, efficient background suppression is essential. Therefore, a waveform digitizing system is being developed, based on a fast analog memory fabricated in CMOS technology, the Domino Sampling Chip DSC. It allows waveform digitizing of the signals from the pure CsI crystals with a frequency of 800MHz. A comparison of the waveform digitizing system to commercial electronic modules proves the distinct advantages for the pion beta experiment by implementing the DSC.<p> <center>Zusammenfassung</center><p> Der Pion-Beta-Zerfall <sub> <IMG SRC="web_diss02.gif"></sub> ist einer der fundamentalen semi-leptonischen Prozesse der schwachen Wechselwirkung. Die präzise Bestimmung der Pion-Beta-Zerfallsrate erlaubt einen genauen Test der Unitarität der Cabbibo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix. Eine mögliche Abweichung von der Unitarität würde Erweiterungen des Standard-Modells der elektro-schwachen Wechselwirkung signalisieren. Die Diskrepanz zwischen übererlaubten Fermi-Zerfällen und dem Zerfall des Neutrons, sowie die Präzision der bisherigen Messungen erfordern eine Neumessung der Pion-Beta-Zerfallsrate. Die experimentelle Schwierigkeit in der präzisen Bestimmung der Zerfallsrate liegt im sehr kleinen Verzweigungsverhältnis von 10<sup>-8</sup> des Beta-Zerfalls des geladenen Pions begründet.<p> Ein neues Experiment wird am Paul-Scherrer-Institut PSI durchgeführt. Das Herzstück des Detektors ist ein Kalorimeter, welches aus Kristallen reinen Cäsium-Iodids (CsI) besteht. Die CsI-Kristalle produzieren sehr schnelles Szintillations-Licht und besitzen eine gute Energieauflösung.<p> Spezielle Methoden sind entwickelt worden, um die Eigenschaften der CsI-Kristalle zu messen. Die Energieauflösung der Kristalle für 70MeV Positronen und Photonen wurde gemessen und eine Differenz wurde für diese beiden Teilchensorten beobachtet. Das experimentelle Resultat für den nieder-energetischen Anteil der Linienform stimmt mit der Monte-Carlo-Simulation der elektromagnetischen Schauer in den Kristallen überein.<p> Um das Experiment mit der gewünschten Strahlrate durchführen zu können, sind effiziente Untergrund-Unterdrückungsmethoden notwendig. Zu diesem Zweck wurde ein System zur Digitalisierung von analogen Signalen entwickelt, welches auf dem Domino Sampling Chip (DSC) basiert, einem in CMOS-Technologie hergestellten schnellen analogen Speicher. Es erlaubt die Digitalisierung der analogen Signale der CsI-Kristalle mit einer Frequenz von 800MHz. Ein Vergleich des Systems mit kommerziellen Elektronikmodulen beweist die Vorteile, die dem Pion-Beta-Experiment bei der Verwendung der DSCs erwachsen. <a name="_Toc349726493"></a> <p> <a name="_Toc355534638"></a> <p> <a name="_Toc355541664"></a><a name="_Toc355590082"></a> <P><hr size=4> <UL> <LI><A HREF="web_diss-1.html"> 1. Introduction </A> <LI><A HREF="web_diss-2.html"> 2. Motivation </A> <LI><A HREF="web_diss-3.html"> 3. Rare Pion-Decay Experiments </A> <LI><A HREF="web_diss-4.html"> 4. The Pion Beta Experiment at PSI </A> <LI><A HREF="web_diss-5.html"> 5. Properties and Performance of the Pure CsI Crystals </A> <LI><A HREF="web_diss-6.html"> 6. Calibration with Photons </A> <LI><A HREF="web_diss-7.html"> 7. The Domino Sampling Chip DSC </A> <LI><A HREF="web_diss-8.html"> 8. Conclusion </A> </UL> <UL> <LI><A HREF="web_diss-Contents.html"> Inhaltsverzeichnis </A> </UL> <hr size=4> <IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/noleftg.gif" ALT="previous" border=0> <A HREF="web_diss-1.html"><IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/rightg.gif" ALT="next" border=0></A> <IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/noupg.gif" ALT="Up " border=0> <IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/notopg.gif" ALT="Title " border=0> <A HREF="web_diss-Contents.html"><IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/contg.gif" ALT="Contents " border=0></A> <A HREF="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/web_diss-Index.html"><IMG SRC="http://pibeta.phys.virginia.edu/docs/publications/chris_diss/html/images/indexg.gif" ALT="Index" border=0></A> </body>