Solar neutrinos with liquid scintillator detectors: high precision CNO measurement with Borexino and prospects for solar neutrino detection in JUNO

Pelicci, Luca; Stahl, Achim; Ludhová, Livia

doi:10.18154/RWTH-2026-02606

Solar neutrinos with liquid scintillator detectors: high precision CNO measurement with Borexino and prospects for solar neutrino detection in JUNO

Pelicci, Luca^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Luca Pelicci, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-02-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-02606
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1029891/files/1029891.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Borexino (frei) ; CNO cycle (frei) ; JUNO (frei) ; directionality (frei) ; liquid scintillator (frei) ; solar metallicity (frei) ; solar neutrinos (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Dissertation konzentriert sich auf die Messung solarer Neutrinos mit Flüssigszintillatordetektoren. Im Kern der Sonne findet die stellare Nukleosynthese durch zwei primäre Reaktionssequenzen statt: Die Proton-Proton (pp)-Kette und den untergeordneten Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus (CNO-Zyklus). Beide Sequenzen wandeln Wasserstoff in Helium um und setzen dabei verschiedene solare Neutrinos frei. Der Nachweis dieser Neutrinos bietet eine einzigartige Möglichkeit, die zugrundliegenden Mechanismen der stellaren Energieerzeugung zu untersuchen und astrophysikalische Fragen wie etwa das ungelöste Problem der Sonnenmetallizität zu beantworten. In dieser Dissertation präsentiere ich meine Analysen der Daten des Borexino-Experiments im Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), sowie Simulationen des JUNO-Experiments, das derzeit in China gebaut wird. Dabei werden zwei komplementäre Methoden zur Detektion solarer Neutrinos eingesetzt. Der erste Ansatz verwendet eine spektrale Analysetechnik basierend auf Energie- und Positionsinformationen der verwendeten Ereignisse. Diese Technik nutzt hauptsächlich das Szintillationslicht, das bei der Wechselwirkung des Flüssigszintillators mit solaren Neutrinos und Kontaminationen des Szintillators erzeugt wird. Die zweite Methode, die Korrelierte und Integrierte Richtungsmethode (Correlated and Integrated Directionality, CID), wurde in Borexino eingeführt. Dieser Ansatz nutzt die Richtungsinformationen der schnellen, untergeordneten Cherenkov-Emission, die im Detektor auftritt. Die Kombination dieser beiden Methoden stellt den leistungsstärksten Ansatz zur Unterscheidung von Signalen solarer Neutrinos und denen von Hintergrund-Ereignissen dar. In der letzten Phase der Datennahme (Januar 2017 - Oktober 2021) legte Borexino den Fokus auf die Verbesserung der Genauigkeit der Messung von Neutrinos, die im CNO-Zyklus erzeugt werden (sogenannte CNO-Neutrinos). Diese Messung wurde 2020 erstmals durchgeführt. Meine Beiträge zu diesen Untersuchungen werden in der vorliegenden Dissertation diskutiert. Ich war in die Optimierung der simulierten Detektorantwort und der Überarbeitung beteiligter Monte-Carlo-Simulationen involviert. Darüber hinaus entwickelte ich eine neuartige Methode zur zeitlichen Überwachung der Detektorantwort im gesamten Detektorvolumen anhand kosmogener Neutronen. Zuletzt führte ich die Spektralanalyse durch, indem ich die Beiträge von pep-Neutrinos und 210Bi-Kontaminationen mithilfe unabhängiger Abschätzungen einschränkte und bewertete alle möglichen Ursachen systematischer Unsicherheiten. Die Resultate zeigen eine signifikante Erhöhung der Messgenauigkeit und eine Ablehnung der Nullhypothese eines nicht vorhandenen CNO-Neutrinoflusses. Die resultierende Wechselwirkungsrate von CNO-Neutrinos dient als Eingabeparameter zur Überprüfung der Metallizität der Sonne und zur Ableitung von Schlussfolgerungen bezüglich sonnenphysikalischer Erkenntnisse. Diese Messung wurde von der Borexino-Kollaboration in Physical Review Letters veröffentlicht. Die CID-Methode wird verwendet, um erstmals die Rate der CNO-Neutrinos unter Verwendung des vollständigen Borexino-Datensatzes (Mai 2007 - Oktober 2021) zu bestimmen. Diese Messung ist einzigartig, da keine Annahmen über im Detektor vorhandene Hintergrundsignale erforderlich sind. Aufgrund dieser Unabhängigkeit von Informationen, die in der CID- und den spektralen Methoden verwendeten werden, werden diese Techniken kombiniert, um ein Höchstmaß an Genauigkeit zu erreichen. Ich beschreibe meine Beiträge zur Implementierung einer neuartigen zweidimensionalen Spektralanalyse, welche die Ergebnisse der CID-Analyse als unabhängige Randbedingungen nutzt. Dieser Ansatz führt zur finalen und bis dato genauesten Messung von CNO-Neutrinos. Die Ergebnisse dieser Analyse werden in einem von der Borexino-Kollaboration in Physical Review D veröffentlichten Artikel beschrieben, in welchem ich einer der vier Hauptautoren bin. Aufbauend auf den Erfahrungen aus dem Borexino-Experiment implementierte ich analoge Strategien zur Untersuchung des Potenzials des JUNO-Detektors für Messungen solarer Neutrinos. Im zweiten Teil dieser Dissertation präsentiere ich meine Beiträge zur Entwicklung eines Frameworks zur spektralen Analyse von solaren Neutrinos, welches zur Bestimmung der Sensitivität von JUNO für solare Neutrinos verwendet wurde. Diese Analyse resultierte in einem Kollaborations-Paper, in dem ich als einer der Hauptautoren aufgeführt bin und welches im Journal of Cosmology and Astroparticle Physics veröffentlicht wurde. Darüber hinaus beteiligte ich mich aktiv an der Weiterentwicklung des Frameworks zur Anwendung der CID-Methode innerhalb der JUNO-Software sowie der Kombination der beiden oben genannten Methoden. Die in dieser Dissertation vorgestellte Arbeit dient als Proof-of-Principle für diese Ansätze.

This dissertation focuses on the measurement of solar neutrinos using liquid scintillator detectors. Within the Sun’s core, stellar nucleosynthesis occurs through two primary reaction sequences: the proton-proton (pp) chain and the subdominant Carbon-Nitrogen-Oxygen (CNO) cycle. Both sequences convert Hydrogen into Helium, releasing various solar neutrinos in the process. The detection of these neutrinos provides a unique method to probe the mechanisms driving stellar energy production and offers an opportunity to address longstanding astrophysical questions, such as the unresolved solar metallicity puzzle. In this dissertation, I present my analyses of data from the Borexino experiment, located at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), and simulations from the JUNO experiment, currently under construction in China. Two complementary methods are employed to detect solar neutrino signals. The first approach utilizes a spectral analysis technique that relies on the energy and position information of events. This technique primarily leverages the scintillation light produced during the interaction of solar neutrinos and background contaminants with the liquid scintillator. The second method, the Correlated and Integrated Directionality (CID) technique, was introduced in Borexino. It exploits the directional information encoded in the fast, sub-dominant Cherenkov emission produced within the detector. The combination of these two methodologies represents the most powerful approach to isolate solar neutrino signals from background-induced events. In the final stages of its data-taking period (January 2017 - October 2021), Borexino prioritized improving the accuracy of the first measurement of the neutrinos produced in the CNO cycle (referred to as CNO neutrinos) performed in 2020. My contributions to this endeavour are discussed in this thesis. I participated in the optimization of the simulated detector response and the re-tuning of Monte Carlo simulations. Additionally, I developed a novel method based on cosmogenic neutrons for monitoring the detector response throughout the detector volume over time. Finally, I conducted the spectral analysis, performed by constraining the contributions from pep neutrinos and 210Bi contamination from independent estimations, and evaluated all potential sources of systematic uncertainty. The outcomes indicate a significant increase in the measurement precision and rejection of the null hypothesis of no CNO neutrino flux. The resulting CNO neutrino interaction rate serves as an input to test the metallicity of the Sun and draw inferences about solar physics. This measurement has been published by the Borexino collaboration in Physical Review Letters. The CID method is used to determine for the first time the rate of CNO neutrinos using the complete Borexino dataset (May 2007 - October 2021). This measurement is unique as no assumptions on backgrounds present in the detector are required. Given the independence of information utilized by the CID and spectral methodologies, these techniques are combined to achieve the highest level of accuracy. I detail my contributions in implementing a novel two-dimensional spectral analysis that leverages the results from the CID analysis as independent constraints. This approach leads to the final and most precise CNO neutrino measurement achieved to date. These results are presented in a paper published by the Borexino collaboration in Physical Review D, where I am one of the four main authors. Leveraging on the expertise gained within the Borexino experiment, I have implemented analogous strategies to investigate the potential of the JUNO detector for solar neutrino measurements. In the second part of this thesis, I present my contributions to developing a spectral analysis framework used to determine JUNO’s sensitivity to solar neutrino. This analysis resulted in a collaboration paper, in which I am listed as one of the main authors, published in the Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Furthermore, I actively participated in developing the framework to apply the CID method within the JUNO software and combining the two methodologies. The work presented in this thesis serves as proof of principle for these approaches.

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