Measurement of $pp$ and CNO cycle solar neutrinos with Borexino

Penek, Ömer; Ludhová, Livia; Wiebusch, Christopher

doi:HT021075400

Measurement of $pp$ and CNO cycle solar neutrinos with Borexino

Penek, Ömer

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Ömer Penek

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-03-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08588
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/825894/files/825894.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CNO (frei) ; beta (frei) ; decay (frei) ; fusion (frei) ; neutrinos (frei) ; pp (frei) ; sun (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Hauptthematik dieser Arbeit befasst sich mit der Erforschung und Messung solarer Neutrinos mit dem Flüssigszintillatordetektor Borexino, welcher sich im Laboratori Nazionali del Gran Sasso in L'Aquila, Italien befindet. Solare Neutrinos sind Teilchen, die im Kern der Sonne als Folge von Fusionsreaktionen entstehen. Dabei handelt es sich um die Proton-Proton- oder $pp$-Fusion als Haupt- und dem Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff- oder CNO-Zyklus als Nebenmechanismus. Beide Prozesse erklären, wie in der Sonne bzw. in Sternen Energie produziert wird, d.h. wie Wasserstoff zu Helium verbrannt wird. Bei der $pp$-Fusion verschmelzen zwei Wasserstoffkerne oder Protonen miteinander und leiten die sogenannte $pp$-Kette ein. Der CNO-Zyklus hingegen wird durch die Fusion von Protonen mit Kohlenstoff-12-Isotopen eingeleitet. Als Folge dieser Reaktionen werden solare Neutrinos erzeugt, welche ca. acht Minuten brauchen, um die Erde zu erreichen und somit eine direkte Informationsquelle für die Beobachtung des Sonneninnern darstellen. Die Energie- und Flussverteilung, also Anzahl der emittierten Neutrinos pro Quadratzentimeter und pro Sekunde, dieser Neutrinos kann unter Zuhilfenahme der Kernphysik und des solaren Standardmodells präzise vorhergesagt werden. Diese Informationen können genutzt werden um die Energieverteilung von, durch solare Neutrinos induzierten, gestreuten Elektronen zu bestimmen. Diese Spektren können als Modell genutzt werden um die, mit dem Borexino-Detektor, gemessenen Daten zu beschreiben, wobei der Szintillator-Untergrund minimal gehalten und dessen Komponenten genau gekannt werden müssen. Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Messung von $pp$-, $pep$-, $^{7}\textrm{Be}$- und $^{8}\textrm{B}$-Neutrinos aus der $pp$-Kette, und CNO-Neutrinos aus dem CNO-Zyklus. \newline Die Zweitthematik dieser Arbeit befasst sich mit einer Studie zur Messung des Form-Faktors der radioaktiven $\beta^{-}$-Quelle $^{144}\textrm{Pr}$ mit Hilfe eines Plastikszintillator-Aufbaus, welcher sich im Forschungszentrum CEA in Paris-Saclay, Frankreich befindet. Die Untersuchung der $^{144}\textrm{Pr}$-Quelle ist im Rahmen des SOX-Projektes (SOX = short distance neutrino oscillations with Borexino) entstanden und stellte eine Probequelle mit geringerer Aktivität dar. Die Hauptquelle, welche sich in Produktion befand und letztlich nicht bereitgestellt werden konnte, sollte unter den Borexino-Detektor platziert werden um so Neutrinooszillationen auf kurzen Distanzen, im Hinblick auf die Existenz steriler Neutrinos, zu studieren. Das Projekt wurde wurde jedoch Anfang $2018$ offiziell beendet, da es nicht möglich gewesen ist, die Hauptquelle zu präparieren. Infolgedessen musste der Fokus auf dieses Thema innerhalb dieser Arbeit deutlich reduziert werden.

This work mainly deals with the study and measurement of solar neutrinos with the liquid scintillator detector Borexino, which is located at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in L'Aquila, Italy. Solar neutrinos are particles, which are created in the core of the Sun as a result of fusion reactions. This involves the proton-proton or $pp$ fusion as the main mechanism and the carbon-nitrogen-oxygen or CNO cycle as a secondary one. Both processes explain how energy is produced in the Sun or stars in general, i.e. how hydrogen is burned into helium. In the $pp$ fusion, two hydrogen nuclei or protons fuse together and initiate the so-called $pp$ chain. The CNO cycle on the other hand is initiated by the fusion of protons with carbon-12 isotopes. As a result of these reactions, solar neutrinos are produced, which need about eight minutes to reach the earth and thus represent a direct source of information to observe the solar interior. The energy and flux distribution, i.e. the number of emitted neutrinos per square centimeter and per second, of these neutrinos can be predicted precisely with the help of nuclear physics and the Standard Solar Model. This information can be used to determine the energy distribution of scattered electrons induced by solar neutrinos. These spectra can be used as a model to describe the data measured with the Borexino detector, keeping the scintillator background to a minimum and knowing its components precisely. This work is mainly concerned with the measurement of $pp$-, $pep$-, $^{7}\textrm{Be}$- and $^{8}\textrm{B}$-neutrinos from the $pp$ chain, and CNO neutrinos from the CNO cycle. \newline The second topic of this work is a study about the measurement of the shape factor of the $\beta^{-}$ radioactive source $^{144}\textrm{Pr}$ using a plastic scintillator setup located at the research center CEA in Paris-Saclay, France. The investigation of the $^{144}\textrm{Pr}$ source was developed for the SOX project (SOX = short distance neutrino oscillations with Borexino) and represented a sample source with lower activity. The main source, which was in production and ultimately could not be made available, was to be placed under the Borexino detector to study neutrino oscillations at short distances with respect to the existence of sterile neutrinos. However, the project was officially cancelled at the beginning of $2018$ as it was not possible to prepare the main source. As a consequence, the focus on this topic had to be significantly reduced within this work.

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