The sensitivity of liquid scintillator detectorsfor the measurement of the neutrino masshierarchy with atmospheric neutrinosVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Soiron, Michael; Ludhova, Livia; Wiebusch, Christopher

doi:10.18154/RWTH-2017-07139

The sensitivity of liquid scintillator detectorsfor the measurement of the neutrino masshierarchy with atmospheric neutrinosVeröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Soiron, Michael

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Michael Soiron

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (vi, 178 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor) ; Ludhova, Livia (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-04-26

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-07139
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697535/files/697535.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/697535/files/697535.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ein Parameter zur Beschreibung von Neutrinooszillationen ist die Anordnung der Neutrinomasseneigenzustände. Hier ist unbekannt, ob der erste oder der dritte Eigenzustand der leichteste ist, was allgemein als das Massenhierarchieproblem bezeichnet wird. Eine Bestimmung der Massenhierarchie ist durch Messung atmosphärischer Neutrinos möglich, die auf ihrem Weg das Erdinnere passieren. Da für diese Messung ein großes Detektorvolumen erforderlich ist, wird sie vor Allem von Experimenten angestrebt, deren Target aus mehreren Megatonnen Wasser besteht. Detektoren, die Flüssigszintilltor als Targetmaterial verwenden, können aus Kostengründen nicht so groß sein, können die Neutrinointeraktionen aber mit höherer Auflösungmessen. Zukünftige Flüssigszintillatordetektoren sind mit Targetmassen von mehreren Kilotonnen geplant.Das Ziel des ersten Teils dieser Arbeit ist die Sensitivität auf die Massenhierarchie fürdie beiden Detektoren LENA und JUNO zu bestimmen. Hierzu wurde ein Monte-Carlo-Datensatz erzeugt, um die Anzahl der gemessenen Neutrinoereignisse zu errechen. Die Au-flösung der Detektoren wird für ein optimistisches und konservatives Szenario geschätzt. Im optimistischen Fall für eine 10 jährige Messung beträgt die Sensitivtät 1.145 σ. Der zweite Teil der Arbeit untersucht einen neu entwickelten Algorithmus zur Rekonstruktion von atmosphärischen Myonen in Flüssigszintilltor. Dieser wurde für das DoubleChooz Experiment angepasst, welches aus zwei derzeit laufenden Detektoren besteht. Zielist, es die Anwendbarkeit der Rekonstruktion unter realistischen Bedingungen und unterVerwendung echter Daten zu untersuchen.Für den verwendeten Monte-Carlo-Datensatz erreicht die Rekonstruktion eine Richtungsauflö-sung von 4.8° und eine räumliche Auflösung von 14.9 cm. Um die Rekonstruktion von real gemessenen Myonen zu überprüfen, wurde deren rekon-struierte Winkelverteilung mit den Monte-Carlo-Daten verglichen. Unter der Annahmeeiner systematischen Unsicherheit von 15 % stimmen die beiden Verteilungen mit einer Wahrscheinlichkeit von 77.85 % überein.

An unknown parameter for the description of neutrino oscillations is the ordering of the neutrino mass eigenstates where it is unknown whether the third or the first eigenstate is the lightest. This is called the mass hierarchy problem A measurement of the mass hierarchy is possible by measuring oscillations of atmospheric neutrinos crossing the Earth interior. Since this channel requires a large target volume, it is commonly used by detectors using several mega tons of water as target material. Detectors using a scintillating liquid as target can not be as big due to the higher cost pervolume but can achieve a higher resolution of the neutrino events. Future liquid scintillatordetectors are planned with target masses in the 10 kt scale. The goal of the first part of this thesis is to investigate the sensitivity of the planned LENA and JUNO liquid scintillator detectors to measure the neutrino mass hierarchy. For this, the expected atmospheric neutrino rate is estimated using Monte Carlo simulations. The resolution of the detectors is estimated in direction and energy, considering an optimistic andconservative scenario. It is found that in the optimistic case for a 10 year measurement thesensitivity for the JUNO detector reaches 1.15 σ. Here, the electron neutrino sample contributes most to the sensitivity. The second part of the thesis investigates a newly developed reconstruction method formuons in liquid scintillator detectors. It is implemented for the Double Chooz experimentwhich consists of two small detectors currently in operation. This implementation is usedto prove the algorithms feasibility under realistic conditions and for real muon data. For the used Monte Carlo data set, the reconstruction achieves an angular resolution of4.8° and a spatial resolution of 14.9 cm. To test the reconstruction of measured muons, thereconstructed data was compared to a Monte Carlo simulation of the directional distribution of muons. It was found that the two distributions agree with a probability of 77.85 %considering a systematic uncertainty of 15 %.

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