Software and hardware development for the next-generation liquid scintillator detectors JUNO and OSIRIS

Genster, C.; Stahl, Achim; Ludhová, Livia

doi:10.18154/RWTH-2019-11430

Software and hardware development for the next-generation liquid scintillator detectors JUNO and OSIRIS = Soft- und Hardwareentwicklung für die Flüssigszintillator-Detektoren der nächsten Generation JUNO und OSIRIS

Genster, C.^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Genster, M.Sc.

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (XI, 190 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020. - Ausgezeichnet mit dem "JUNO PhD thesis award 2019“ (Jiangmen Underground Neutrino Observatory)

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ludhová, Livia (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-29

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-11430
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/774258/files/774258.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
OSIRIS (frei) ; muon (frei) ; reconstrcution (frei) ; simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Große Flüssigszintillator~(FSz)-Detektoren sind bewährte Instrumente auf dem Gebiet der Neutrino-Physik. Basierend auf verschiedenen erfolgreichen Experimenten, die die derzeit genausten Werte für mehrere Parameter von Neutrino-Oszillationen gemessen haben, wird eine neue Generation von Detektoren mit mehreren zehn Kilotonnen FSz entwickelt. Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory~(JUNO) ist ein 20-Kilotonnen-FSz-Detektor, der vollständig finanziert und in China gebaut wird. Sein Hauptziel ist die Bestimmung der Neutrinomassenordnung~(MO) durch eine Präzisionsmessung des Spektrums von Elektron-Antineutrinos aus Kernreaktoren. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die zugrundeliegende Theorie der Neutrino-Oszillationen, das JUNO-Detektordesign und wie Neutrinos aus verschiedenen Quellen mit diesem Instrument nachgewiesen werden können. Der Fokus liegt auf einem korrelierten Hintergrund für die Messung des inversen Beta-Zerfall~(IBD) von Reaktor-Antineutrinos, der von kosmischen Myonen stammt. Wenn diese den Detektor passieren, können sie instabile Radioisotope erzeugen, die nach kurzer Zeit in einem (beta + n)-Kanal zerfallen. Um diesen Hintergrund zu erkennen und zu unterdrücken, ist es von fundamentaler Bedeutung, die Spur des Myons genau zu kennen. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein neuartiger Myon-Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt und getestet. Es basiert auf dem geometrischen Modell der Schnittlinie des PMT-Arrays mit der Front des ersten Lichtes. Die Spurparameter werden in einem Likelihood-Fit optimiert, basierend auf Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen, die mit einer detaillierten Detektorsimulation erzeugt werden. Zusätzlich wird eine Simulation der Ausleseelektronik durchgeführt, um die bestmögliche Abschätzung der Genauigkeit mit realen Daten zu erhalten. Ausgenommen vom äußersten Rand des Detektors, kann der Abstand der Myonspur vom Detektorzentrum DeltaD mit einer Unsicherheit von 5 cm und ihre Richtung mit 0.3° bestimmt werden. Die Auswirkungen auf die sensitive Masse des Detektors durch ein Myon-Veto auf der Grundlage dieser Rekonstruktion wurden ebenfalls untersucht. Im Vergleich zur perfekten Kenntnis jeder Myonenspur, erzeugt die entwickelte Methode nur zusätzliche 4 % Verlust an sensitiver Masse. Im zweiten Teil wird ein Vordetektor für JUNO untersucht. OSIRIS ist ein eigenständiger, 20 Tonnen-FSz-Detektor, der verwendet wird, um die Reinheit des FSz zu überwachen, bevor er in JUNO gefüllt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine detaillierte Detektorsimulation auf Basis von C++11 und Geant4 entwickelt. Diese wird dann verwendet, um die Sensitivität des Detektors für sein Hauptziel zu bestimmen - die Identifizierung von Bi-Po-Koinzidenzen aus den Zerfallsketten von U-238 und Th-232 im FSz. Darüber hinaus wird eine Kalibrierungskampagne für OSIRIS entwickelt. Unter Berücksichtigung der verfügbaren Hardware, wird die Entscheidung getroffen, eine automatisierte Kalibriereinheit~(ACU) aus der Daya Bay Kollaboration einzusetzen. Der Energiebereich von 0.5 - 3 MeV wird kalibriert, indem der Detektor gleichzeitig Cs-137, Zn-65 und Co-60 in einer einzigen Kapsel ausgesetzt wird. Mit unterschiedlichen vertikalen Positionen in einem festen radialen Abstand r = 120 cm vom Zentrum des Detektors kann die Nicht-Uniformität des Ansprechverhaltens bestimmt werden. Die Zeitkalibrierung der PMTs mit einer Genauigkeit von ~0.1 ns wird mit einer 430 nm LED realisiert, die entlang der gleichen vertikalen Achse eingesetzt werden kann.

Large liquid scintillator~(LS) detectors are acknowledged instruments in the field of neutrino physics. Based on various successful experiments, reporting the currently best limits on several parameters of neutrino flavor oscillations, a new generation of detectors with several tens of kilotons of LS are under consideration. The Jiangmen Underground Neutrino Observatory~(JUNO) is a 20 kiloton LS detector, that is fully funded and under construction in China. Its main goal is the determination of the neutrino mass ordering~(MO) through a precision measurement of the reactor electron anti-neutrino spectrum. The first part of this thesis discusses the underlying theory of neutrino flavor oscillations, the JUNO detector design and how neutrinos of various sources can be detected with this instrument. The focus is laid on a correlated background for the inverse beta decay~(IBD) measurement of reactor anti-neutrinos, which stems from cosmic muons. When they traverse the detector, the muons can create unstable radioisotopes, which decay after a short time in a (beta + n) channel. In order to identify and reject this background, it is paramount to know the track of the muon precisely. For this purpose, a novel muon reconstruction algorithm is developed and tested in this work. It is based on the geometric model of the intersection of the first-light front with the PMT array. The track parameters are optimized in a likelihood fit based on probability density functions produced with a detailed detector simulation. In addition, a simulation of the full readout electronics is performed to yield the best estimate of the performance on real data. Excluding the edge of the CD, the muon track's distance from the detector center DeltaD can be determined with an uncertainty of 5 cm and its direction with 0.3°. The impact on the detector's exposure by a muon veto based on this reconstruction was also studied. Compared to a perfect knowledge of each muon track, the developed method only creates an additional 4 % of loss in exposure. In the second part, a pre-detector for JUNO is investigated. OSIRIS is a standalone, 20 ton LS detector, that will be used to monitor the radiopurity of the cleaned LS before it is filled into JUNO.In the scope of this work, a detailed detector simulation based on C++11 and Geant4 is developed. It is then used to determine the sensitivity of the detector to its main physics goal: the identification of Bi-Po coincidences from the decay chains of U-238 and Th-232 in the LS. Furthermore, a calibration campaign for OSIRIS is studied. Under consideration of the available hardware, the decision is made to utilize an automated calibration unit~(ACU) from the Daya Bay collaboration. The energy range of 0.5 - 3 MeV will be calibrated by exposing the detector simultaneously to Cs-137, Zn-65, and Co-60 in a single capsule. With different vertical positions on a fixed radial distance r = 120 cm from the detector's center, its non-uniformity can be properly sampled. Timing calibration of the PMTs with an accuracy of~0.1 ns is realized with a 430 nm LED, that can be deployed along the same vertical axis.

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