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Search for light sterile neutrinos with the Double Chooz experiment
2020
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-03-02
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-05375
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/789691/files/789691.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Double Chooz (frei) ; neutrino oscillation (frei) ; neutrino physics (frei) ; reactor antineutrino (frei) ; sterile neutrinos (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Das Double Chooz Experiment ist ein Reaktor-Antineutrinoexperiment zur präzisen Messung des Neutrinomischungswinkels $ \theta_{13}$. Es befindet sich in Chooz, einem kleinem Dorf in Frankreich, auf dem Gelände des dortigen Kernkraftwerkes Chooz-B. Das Experiment besteht aus zwei nahezu identischen Detektoren, welche bis 2018 den Elektronantineutrinofluss der beiden Reaktorblöcke B1 und B2 gemessen haben. Der Nahdetektor wurde in einem mittleren Abstand von 400 m zu den Reaktorblöcken positioniert und war zwischen Anfang 2015 und Anfang 2018 in Betrieb, während der Ferndetektor in einem mittleren Abstand von 1050 m zu den Reaktorblöcken zwischen April 2011 und Anfang 2018 betrieben wurde. Diese Arbeit präsentiert die Analyse der Double Chooz Daten in Hinblick auf sogenannte leichte sterile Neutrinos. Leichte sterile Neutrinos sind Neutrinos, die nicht an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen, und eine Masse im Elektronenvoltbereich oder darunter aufweisen. Sie wurden bisher nicht zweifelsfrei nachgewiesen. Falls sterile Neutrinos mit den bekannten Neutrinosorten mischen, besteht die Möglichkeit sie indirekt über Oszillationseffekte der bekannten Sorten nachzuweisen. Das 3+1 Modell sieht die Einführung einer zusätzlichen sterilen Neutrinosorte vor. Dadurch ergeben sich neue Neutrinomischungswinkels und Massenquartsdifferenzen. Double Chooz ist für Massenquartsdifferenzen $0.003\,\mathrm{eV}^2 \lesssim \Delta m^2_{41} \lesssim 0.3\, \mathrm{eV}^2$ auf den neuen Neutrinomischungsparameter $\sin^2 2\theta_{14}$. Die in dieser Arbeit vorgestellte Analyse beruht auf einem Likelihood-Anpassungsverfahren, das possionische Statistik annimmt und auf dem Vergleich der Daten der beiden Detektoren basiert. Es ist daher nahezu vollständig unabhängig von Vorhersagemodellen für die Neutrinoproduktion in den Reaktoren. Auch andere systematische Unsicherheiten kürzen sich heraus, sofern sie zwischen den beiden Detektoren maximal korreliert sind. Es zeigt sich, dass die Double Chooz Daten mit einer Wahrscheinlichkeit von $24.7\% \pm 2.2\%$ mit der Hypothese $\sin^2 2\theta_{14}=0$ kompatibel sind. Es wird die mit 95% Wahrscheinlichkeit obere Grenze für $\sin^2 2\theta_{14}$ als Funktion von $\Delta m^2_{41}$ gezeigt.The Double Chooz experiment is a reactor antineutrino disappearance experiment located in Chooz, France. It was designed to measure the neutrino mixing angle $\theta_{13}$. The experiment is composed of two liquid scintillator detectors of almost identical design that were able to identify electron antineutrinos from the two Chooz B reactor cores by the unique signal of the inverse beta decay. The far detector at an average baseline of 1050 m from the two reactor cores was in operation from April 2011 to the beginning of 2018. The near detector at an average baseline of 400 m has been operating from the beginning of 2015 to the beginning of 2018. A neutrino oscillation analysis can be setup independently from any theoretical model of the reactor neutrino flux utilizing the different baselines of near and far detector relying only on the comparison of near and far detector data. In doing so, all correlated systematics cancel and the analysis is protected against potential bias due to a mismatch of reactor neutrino prediction and data. Apart from its original design goal to measure $\theta_{13}$, Double Chooz is sensitive to so called light sterile neutrinos. Sterile neutrinos are neutrino states that do not take part in the weak interaction but may lead to additional disappearance of the known neutrino states, if they mix with the latter. That mixing is described by additional neutrino squared mass differences and mixing angles. The 3+1 model assumes one additional sterile state. Here, Double Chooz is sensitive to the new mixing angle $\theta_{14}$ depending on the new squared mass difference $\Delta m^2_{41}$ if it is in the range of $0.003\,\mathrm{eV}^2 \lesssim \Delta m^2_{41} \lesssim 0.3\, \mathrm{eV}^2$. This work presents the analysis of Double Chooz data with respect to sterile neutrinos. A Poissonian likelihood fit approach not relying on reactor model predictions is used. It is found that the Double Chooz data is with a p-value of $24.7\% \pm 2.2\%$ consistent with the no-sterile (i.e. $\theta_{14}=0$) hypothesis. The upper limit on $\sin^2 2 \theta_{14}$ at 95% confidence level is given as a function of $\Delta m^2_{41}$.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020460519
Interne Identnummern
RWTH-2020-05375
Datensatz-ID: 789691
Beteiligte Länder
Germany
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