Data analysis for solar neutrinos: final CNO measurement exploiting the directionality method with Borexino and JUNO’s potential for solar neutrino measurement

Singhal, Apeksha; Ludhová, Livia; Wiebusch, Christopher

doi:10.18154/RWTH-2025-01879

Data analysis for solar neutrinos: final CNO measurement exploiting the directionality method with Borexino and JUNO’s potential for solar neutrino measurement

Singhal, Apeksha^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Apeksha Singhal, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ludhová, Livia (Thesis advisor)^RWTH* ; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-01879
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1005615/files/1005615.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bayesian (frei) ; Borexino (frei) ; CNO cycle (frei) ; CNO neutrinos (frei) ; Cherenkov light (frei) ; JUNO (frei) ; Toy Monte Carlo (frei) ; directionality (frei) ; neutrino data analysis (frei) ; sensitivity (frei) ; solar neutrino (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Dissertation stellt die neuesten Messungen von Sonnenneutrinos mit dem Borexino-Experiment sowie die erwartete Sensitivität gegenüber Sonnenneutrinos mit dem JUNO-Experiment vor. Sonnenneutrinos entstehen in der Sonne durch verschiedene Fusionsprozesse, die als Proton-Proton-chain (pp-chain) und Carbon-Nitrogen-Oxygen-Zyklus (CNO-Zyklus) klassifiziert werden. Der CNO-Zyklus ist in der Sonne ein untergeordneter Prozess, während er in schwereren Sternen als Hauptenergiequelle vermutet wird. Sonnenneutrinos sind schwach wechselwirkende Teilchen und dank ihrer schwer fassbaren Natur sind sie die einzigen direkten Sonden für Informationen über das Sonneninnere. Das Borexino-Experiment hat bereits eine umfassende Messung aller pp-chain-Neutrinos und den ersten Nachweis von CNO-Sonnenneutrinos erbracht. Es handelte sich um einen 280 t flüssigen Szintillator-Detektor (LS), der sich in den Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italien befindet. Mit dem neuesten und letzten Datensatz, der im Zeitraum 2017-2021 gesammelt wurde, lieferte es eine verbesserte Messung der CNO-Sonnenneutrinos und deren Implikationen für das Verständnis der chemischen Zusammensetzung der Sonne. Meine Beiträge zum $^{210}$Bi-Hintergrund-Beschränkungsmodell, zur Erstellung von Fit-Eingaben sowie zur Durchführung des multivariaten Spektral-Fits zur Bestimmung der CNO-$\nu$-Rate werden in dieser Arbeit vorgestellt. Diese Ergebnisse wurden in den Physical Review Letters veröffentlicht. Der erste richtungsweisende Nachweis von sub-MeV- Sonnenneutrinos in einem Flüssigszintillator-Detektor wurde ebenfalls von Borexino erreicht. Eine sogenannte Correlated and Integrated Directionality (CID) Technik wurde entwickelt, die die richtungsweisende und untergeordnete Cherenkov-Information nutzt, die in den frühen Hits eines Sonnenneutrinoereignisses enthalten ist. Der Nachweis dieses Konzepts wurde mit $^7$Be-Sonnenneutrinos erbracht und die Ergebnisse, einschließlich meiner Beiträge, werden in dieser Arbeit diskutiert und in einer gemeinsamen Veröffentlichung in den Physical Review Letters und Physical Review D veröffentlicht. Das neueste Ergebnis von Borexino umfasst die richtungsweisende Messung von CNO-$\nu$-Sonnenneutrinos unter Verwendung von CID und erstmals ohne die $^{210}$Bi-Einschränkung. Mein Beitrag umfasst die Optimierung der Fit-Eingaben, die Kalibrierung der Gruppenlaufzeit von Cherenkov-Photonen im $^7$Be-$\nu$-Randbereich, die Bewertung der systematischen Unsicherheiten und die Durchführung der finalen CID-Fits zur endgültigen Extraktion der CNO-Sonnenneutrinos. Diese Ergebnisse wurden verwendet, um die kombinierte CID- und multivariate Spektral-Analyse für die Sonnenneutrinoanalyse durchzuführen, was die präziseste und endgültige CNO-$\nu$-Rate von Borexino liefert, die in Physical Review D veröffentlicht wurde. JUNO ist ein 20 kt LS-Experiment, das sich im Bau in Südchina befindet, mit dem Hauptziel, die Neutrinomassenhierarchie zu bestimmen. Das Potenzial von JUNO, $^7$Be-, pep- und CNO-Sonnenneutrino-Messungen mit beispielloser Präzision durchzuführen, wird in dieser Arbeit diskutiert und meine Arbeit umfasst die Durchführung der multivariaten Fits unter Annahme verschiedener Hintergrundkontaminationsniveaus. Diese Erkenntnisse wurden im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht. Die ersten Machbarkeitsstudien zur Durchführung der richtungsweisenden Messung von $^7$Be- und CNO-Sonnenneutrinos in JUNO unter Verwendung von CID wurden ebenfalls in dieser Arbeit untersucht. Ich präsentiere meine Arbeit zur CID-Analyse-Strategie und die vorläufigen Ergebnisse, die die verbesserte JUNO-Sensitivität gegenüber Sonnenneutrinos zeigen.

This dissertation presents the recent solar neutrino measurements with the Borexino experiment and the expected sensitivity to solar neutrinos with the JUNO experiment. Solar neutrinos are created in the Sun through different fusion processes, that are classified as: the proton-proton (pp) chain and the Carbon-Nitrogen-Oxygen (CNO) cycle. The CNO cycle is a sub-dominant process in the Sun, while it is hypothesized to be the main source of energy in the heavier stars. Solar neutrinos are weakly interacting particles and thanks to their elusive nature, they are the only direct probes of the information about the solar interior. The Borexino experiment has already provided a comprehensive measurement of all pp chain neutrinos and the first detection of CNO solar neutrinos. It was a 280 t liquid scintillator (LS) detector located at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy. It provided an improved measurement of CNO solar neutrinos and its implications for understanding the chemical composition of the Sun, using its latest and final data set collected in 2017-2021 period. My contributions towards the $^{210}$Bi background constraint model, the production of fit inputs as well as performing the multivariate spectral fit to obtain CNO-$\nu$ rate, are presented in this thesis. These results have been published in Physical Review Letters. The first directional measurement of sub-MeV solar neutrinos in a liquid scintillator detector has also been accomplished by Borexino. A so-called Correlated and Integrated Directionality (CID) technique has been developed, which exploits the directional and sub-dominant Cherenkov information contained in the early hits of a solar neutrino event. The proof of concept of this method has been provided using $^7$Be solar neutrinos and the results, including my contributions, are discussed in this thesis and have been published in a joint publication in Physical Review Letters and Physical Review D. The latest result from Borexino includes the directional measurement of CNO-$\nu$ solar neutrinos using CID and without the $^{210}$Bi constraint for the first time. My contribution constitutes the optimisation of the fit inputs, calibration of group velocity of Cherenkov photons in the $^7$Be-$\nu$ edge region, evaluation of the systematic uncertainties, and performing final CID fits to finally extract the CNO solar neutrinos. These results have been used to perform the combined CID and the multivariate spectral fit for the solar neutrino analysis, providing the most precise and Borexino's final CNO-$\nu$ rate, which has been published in Physical Review D. JUNO is a 20 kt LS experiment under construction in south China, with its primary goal of the determination of neutrino mass ordering. The potential of JUNO to perform $^7$Be, pep, and CNO solar neutrino measurements with unprecedented precision is discussed in this thesis and my work includes executing the multivariate fits assuming various background contamination levels. These findings have been published in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. The first feasibility studies to perform the directional measurement of $^7$Be and CNO solar neutrinos in JUNO using CID has also been explored in this thesis. I present my work regarding the CID analysis strategy and the preliminary results, which shows the improved JUNO's sensitivity to solar neutrinos.

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