Trigger and calibration studies for the OSIRIS pre-detector of the JUNO experiment

Liu, Runxuan; Stahl, Achim; Ludhová, Livia

doi:45270

Trigger and calibration studies for the OSIRIS pre-detector of the JUNO experiment

Liu, Runxuan^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Runxuan Liu, 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
2025-12-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-03172
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1031897/files/1031897.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
JUNO (frei) ; OSIRIS (frei) ; calibration (frei) ; event builder (frei) ; trigger (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 520

Kurzfassung
Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) ist ein Neutrino-Detektor der nächsten Generation mit 20 kt Flüssigszintillator (Fsz) in China, der inzwischen fertiggestellt wurde und seit August 2025 Daten aufnimmt. Er befindet sich 650 m unter der Erde und 52,5 km von den Kernkraftwerken Taishan und Yangjiang entfernt. Sein Hauptziel ist die Bestimmung der Neutrinomassenordnung (NMO), eine der zentralen offenen Fragen der Neutrinophysik, über die Messung von Koinzidenzsignalen des inversen Beta-Zerfalls (IBD) der Reaktorantineutrinos. Mit großer Targetmasse und ausgezeichneter Energieauflösung (2,95\% bei 1 MeV) soll JUNO innerhalb von 6,5 Jahren Datenaufnahme eine 3 $\sigma$-Sensitivität für die NMO erreichen. Zudem ist JUNO in der Lage, weitere wichtige Fragestellungen der Neutrino- und Astroteilchenphysik zu untersuchen, darunter die präzise Messung der Oszillationsparameter sowie die Detektion von solaren, Geo-, atmosphärischen und Supernova-Neutrinos. Die Radiopurität des Fsz ist entscheidend für JUNOs Erfolg, mit Anforderungen von $10^{-16}$ g/g für $^{238}$U und $^{232}$Th bei IBD-bezogenen Messungen. Zur Überwachung wurde das Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System (OSIRIS) als Vordetektor entwickelt und gebaut. OSIRIS kann die Bi–Po-Koinzidenzen in den entsprechenden U/Th-Zerfallsketten identifizieren. Es besteht aus einem Innendetektor (ID) mit 64 PMTs, die 18 Tonnen Fsz in einem Acrylgefäß beobachten, und einem Außendetektor (OD) mit 12 PMTs als Wasser-Cherenkov-Vetodetektor dienen. Die Event-Builder-Software (EB) von OSIRIS, ein Kernteil des DAQ-Systems, wurde entwickelt, um Rohdaten gemäß benutzerdefinierten Triggerbedingungen in verschiedenen Modi einzulesen, zu sortieren, zu triggern und in Events umzuwandeln. Die EB wurde für eine bessere Leistung optimiert. Triggerstudien im iPMT-Szenario wurden mit einem Workflow durchgeführt, der OSIRIS-Geant4-Simulation, DAQ-Simulation und die EB kombiniert. Simulierte Daten von $^{14}$C-Zerfallselektronen und kosmogenen Myonen wurden verwendet, um die optimalen Triggerbedingungen für ID und OD im Koinzidenzmodus zu bestimmen, bei dem eine bestimmte Treffer-Multiplizität innerhalb eines festgelegten Zeitfensters erreicht werden muss. Die optimierten Triggerbedingungen sind (70 ns, 5) für den ID und (150 ns, 5) für den OD. Außerdem wurden die Vor- und Nachzeitfenster bestimmt, um die Promptsignale des Nebenzerfallskanal von $^{85}$Kr sowie Nachimpulse der PMTs zu erfassen. Einige Arbeiten vor Ort werden ebenfalls vorgestellt, darunter der Aufbau einer Testkette für die OSIRIS-LPMT-Elektronik, die Umfeldkontrolle der Elektronikkabine sowie die Vorbereitung der Hardware der automatischen Kalibriereinheit (ACU). Das Anpassungsmodell für die ACU-Mehrgammaquellen ($^{137}$Cs, $^{65}$Zn und $^{60}$Co) wurde mit umfangreichen Simulationsdaten validiert. Die ersten Kommissionierungsdaten eines ACU-LED-Kalibrierlaufs in Luft wurden eingehend analysiert. Eine Methode wurde entwickelt, um verrauschte und flache Wellenformen herauszufiltern sowie Mehrfach-Photoelektron-Wellenformen auszuschließen. Für die ausgewählten Wellenformen aller inneren PMTs an verschiedenen LED-Positionen wurden Ladungsrekonstruktion und Zeitabgleich durchgeführt.

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a next generation 20 kt liquid scintillator (LS) neutrino detector in China, which has completed construction and has been taking data since August 2025. Located 650 m underground and 52.5 km from both the Taishan and Yangjiang nuclear power plants, its primary goal is to determine the neutrino mass ordering, one of the most forefront open questions in neutrino physics. This is achieved by measuring the coincidence signals of inverse beta decay (IBD) events from reactor antineutrinos. With its large target mass and excellent energy resolution (2.95\% at 1 MeV), JUNO is expected to reach a 3 $\sigma$ sensitivity to the NMO within 6.5 years of data taking. Besides, JUNO is also able to explore other important topics in neutrino and astroparticle physics, including the precise measurement of oscillation parameters, and the detection of solar, geo-, atmospheric, and supernova neutrinos. The radiopurity of the LS is critical for JUNO's success, with requirements of $10^{-16}$ g/g for $^{238}$U and $^{232}$Th in IBD-related measurements. To ensure these levels, the Online Scintillator Internal Radioactivity Investigation System (OSIRIS) was designed and built as a pre-detector to monitor LS radiopurity. It can tag the Bi-Po coincidences in the corresponding U/Th decay chains. OSIRIS consists of an inner detector (ID) equipped with 64 PMTs observing 18 tons of LS contained in an acrylic vessel, and an outer detector (OD) with 12 PMTs serving as a water Cherenkov veto detector. The OSIRIS Event Builder (EB) software, as a core part of the DAQ system, was developed to read, sort, trigger, and package the raw data into built events according to user-defined trigger conditions in different trigger modes. The EB was optimized for better performance. Trigger studies in the iPMT scenario were carried out using a workflow that combined OSIRIS Geant4 simulation, DAQ simulation, and the EB. Simulated data of $^{14}$C decay electrons and cosmogenic muons were used to determine the optimal trigger conditions for the ID and OD, respectively, in coincidence mode, where a certain hit multiplicity must be reached within a certain time window. The optimized trigger conditions are (70 ns, 5) for the ID and (150 ns, 5) for the OD. The pre-time and post-time window lengths were also determined to capture prompt signals from the ${85}$Kr minor decay branch and afterpulses of the PMTs. Several aspects of on-site work are also presented, including the setup of a testing chain for OSIRIS LPMT electronics, environmental control of the electronics cabin, and preparation of the Automatic Calibration Unit (ACU) hardware. The fitting model for the ACU multi-gamma source ($^{137}$Cs, $^{65}$Zn, and $^{60}$Co) was validated with large samples of simulated calibration data. The first ACU LED calibration commissioning air-run data was analyzed in depth. A method was developed to filter out noisy and flat waveforms, as well as to exclude multi-photoelectron waveforms. Charge reconstruction and timing alignment were performed for the selected waveforms of all the inner PMTs with different LED positions.

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