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Looking inside the sun with the Borexino experiment : detection of solar neutrinos from the proton-proton chain and the CNO cycle
2020 & 2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-08-31
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12244
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808709/files/808709.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
neutrino (frei) ; neutrino experiment (frei) ; solar models (frei) ; solar neutrinos (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Die Sonne wird von in ihrem Kern stattfindenden Fusionsprozessen angetrieben, die Wasserstoff in Helium umwandeln. Die in diesen Reaktionen erzeugten Photonen benötigen etwa eine Milliarde Jahre, um die Oberfläche zu erreichen. Es gibt aber ein weiteres Nebenprodukt der Kernfusion: Neutrinos. Sie sind leicht, elektrisch neutral, und im Gegensatz zu Photonen entkommen sie der Sonne in Sekundenschnelle. Diese sogenannten solaren Neutrinos sind die einzigen Träger von Echtzeitinformationen über den Kern unseres Sterns. Wir wissen, dass mindestens 99% der Sonnenenergie durch die Proton-Proton-Fusionskette (pp-Kette) erzeugt wird. Ein weiterer Prozess, durch den eine Wasserstoff-Helium-Fusion stattfinden kann, ist der katalytische Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff-Zyklus (CNO-Zyklus). Da angenommen wird, dass dieser Zyklus die Hauptenergiequelle in schweren Sternen ist, würde seine Entdeckung Auswirkungen auf unser Verständnis der Astrophysik haben. Des Weiteren würde er Erkenntnisse über die, noch nicht vollständig verstandene, chemische Zusammensetzung des Sonnenkerns liefern. Außerdem können wir diesen intensiven natürlichen von der Sonne ausgestrahlten Neutrinostrahl zur Untersuchung der Neutrinooszillation nützen, dessen Entdeckung dank der Daten der solaren Neutrinos erreicht wurde. Der Borexino-Detektor wurde mit dem primären Ziel entwickelt, die sogenannten 7Be-Neutrinos, die aus der pp-Kette stammen, zu detektieren. Aufgrund seiner beispiellosen radioaktiven Reinheit und Auflösung bei niedrigen Energien ist er besonders geeignet für die Messung der solaren Neutrinos. Nach zehn Jahren der Datenerfassung hat das Borexino-Experiment alle Neutrinokomponenten der pp-Kette umfassend untersucht und damit seinen Zweck nicht nur erfüllt sondern sogar übertroffen. Diese Dissertation befasst sich mit den Ergebnissen und Implikationen dieser Messung, sowie der zugrundeliegenden Analyse. Der nächste Meilenstein von Borexino war die Erforschung der Existenz des CNO-Zyklus in der Sonne durch die Detektion der in ihm erzeugten Neutrinos. Ich werde meine Arbeit über die Methoden zur Überwachung der Entwicklung des Detektors und zur Verbesserung der Qualität seiner Daten beschreiben, die als entscheidend für die CNO-Neutrino-Analyse erachtet wurde. Abschließend präsentiere ich die Analysemethoden und die vorläufigen Ergebnisse, die die Existenz von CNO-Neutrinos deuten. Die in dieser Dissertation beschriebene Arbeit und meine Leistungen wurden dank der kollektiven Anstrengung der Borexino Kollaboration erreicht.The Sun is fueled by fusion processes occurring in its core that convert hydrogen into helium. Photons produced in these reactions take an order of billion years to reach the surface. However, there is another byproduct of nuclear fusion: neutrinos. They are light and electrically neutral, and, unlike photons, escape the Sun in a matter of seconds. These so-called solar neutrinos are the only carriers of real-time information about the core of our Star. We know that at least 99% of solar energy is generated through the proton-proton (pp) fusion chain. One more process through which hydrogen-to-helium fusion may occur is the catalytic carbon-nitrogen-oxygen (CNO) cycle. As it is hypothesized to be the main source of energy in heavier stars, its discovery would carry implications in astrophysics, and provide insights about the chemical composition of the core of the Sun, which is not yet fully understood. Moreover, we can exploit this intense natural beam of neutrinos radiated by the Sun to study the phenomenon of neutrino oscillation, the discovery of which was achieved thanks to solar neutrino data. The Borexino detector was designed with the primary goal of detecting the so-called 7Be neutrinos, originating from the pp chain. It is particularly suitable for solar neutrino measurement due to its unprecedented radiopurity and resolution at low energies. After ten years of data taking, the Borexino experiment has comprehensively studied all pp-chain neutrinos, not only fulfilling but even surpassing its purpose. This thesis presents the results and implications of this measurement, as well as the analysis behind it. The next milestone of Borexino was to probe the existence of the CNO cycle in the Sun through the detection of neutrinos produced in it. I will describe my work on the methods of monitoring the evolution of the detector and improving the quality of its data, which was deemed crucial for the CNO neutrino analysis. Concluding my thesis, I will present the analysis methods and preliminary results, which show evidence of the existence of CNO neutrinos. The work described in this thesis and my accomplishments are achieved thanks to the collective effort of the Borexino collaboration.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020710631
Interne Identnummern
RWTH-2020-12244
Datensatz-ID: 808709
Beteiligte Länder
Germany
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