Solar neutrino detection: CNO discovery with Borexino and preparations for success in JUNO and OSIRIS

Göttel, Alexandre S.; Stahl, Achim; Ludhová, Livia

doi:42072

Solar neutrino detection: CNO discovery with Borexino and preparations for success in JUNO and OSIRIS

Göttel, Alexandre S.^RWTH*

2022 & 2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Alexandre S. Göttel

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2023

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-10-18

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-00596
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/862871/files/862871.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bayesian (frei) ; Borexino (frei) ; CNO cycle (frei) ; CNO neutrino (frei) ; JUNO (frei) ; OSIRIS (frei) ; calibration (frei) ; liquid scintillation (frei) ; neutrino (frei) ; sensitivity (frei) ; solar neutrino (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Sonne wird durch verschiedene Fusionsprozesse angetrieben, die in zwei große Kategorien eingeteilt werden können: die \textit{pp}-Kette und der CNO-Zyklus. Es ist schwierig, eine Theorie über das Gleichgewicht zwischen Gravitations- und Strahlungskräften aufzustellen, nicht zuletzt deshalb, weil fast alle Informationen über die Sonne nur von dessen Oberfläche gesammelt werden können. Die Teilchenphysik sagt jedoch voraus, dass die beiden oben genannten Prozesse unterschiedliche Arten von Neutrinos aussenden: \textit{Solare neutrinos}. Während sie aufgrund ihrer schwer fassbaren Eigenschaften extrem schwer nachzuweisen sind, ermöglicht ihnen dieselbe Eigenschaft, aus dem Sonnenkern zu entkommen. Sie sind die einzige direkte Sonde aus dem Sonnenkern, und ihre Messung auf der Erde stellt einen enormen experimentellen und theoretischen Erfolg dar. In dieser Arbeit werden Methoden untersucht, die sich mit den experimentellen Herausforderungen bei der Messung von CNO-Neutrinos befassen. Diese Neutrinos machen weniger als ein Prozent der Neutrinostrahlung der Sonne aus, aber man nimmt an, dass ihr Erzeugungsprozess die wichtigste Quelle stellarer Energie in unserem Universum ist. Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse führten zum Teil zum ersten experimentellen Nachweis von CNO-Neutrinos mit dem Borexino-Detektor, der in Nature veröffentlicht wurde. Ein weiterer Teil dieser Arbeit befasst sich mit der erwarteten Empfindlichkeit von JUNO für solare Neutrinos. JUNO ist ein sehr großer Flüssigszintillator-Detektor, der derzeit in Südchina gebaut wird. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass es das Potenzial für beispiellos präzise Messungen solarer Neutrinos hat. Diese Empfindlichkeitsstudien werden derzeit ebenfalls zur Veröffentlichung vorbereitet. Schließlich befasst sich diese Arbeit auch mit dem OSIRIS-Detektor, einem Vordetektor für JUNO, der sicherstellen soll, dass der Flüssigszintillator von JUNO ein bestimmtes Maß an Verunreinigung nicht überschreitet, was nicht nur das Hauptziel der Messung der Neutrinomassenhierarchie mit $3\sigma$ in sechs Jahren gefährden, sondern auch die Messungen von Sonnenneutrinos stark beeinträchtigen könnte. Dieser Abschnitt der Dissertation befasst sich erstmalig mit der Entwicklung eines Kalibrierungsprogramms, das alle Anforderungen von OSIRIS erfüllt: Energierekonstruktion, Positionsrekonstruktion, Ladungsrekonstruktion, und Zeitversatz zwischen PMTs im Sub-Nanosekundenbereich. Es wird auch dazu verwendet, den Szintillator von OSIRIS auf zeitabhängige Veränderungen zu überwachen und so ein schnelles Feedback zu liefern. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse werden derzeit auch in einer Publikation umgesetzt, die veröffentlicht werden soll, sobald die ersten Kalibrierungsdaten gemessen wurden. Weiterhin wird in dieser Arbeit die Empfindlichkeit von OSIRIS für dessen Hauptziel, die Messung von $^{238}$U und $^{232}$Th im Flüssigszintillator berechnet. Die Ergebnisse dieser Studie, sowie Ergebnisse zur Empflichdichkeit zu $^{85}$Kr im Flüssigszintillator, wurden bereits im European Physical Journal C als Teil einer allgemeinen Review von OSIRIS veröffentlicht.

The Sun is powered through different fusion processes that can be grouped in two categories: the \textit{pp}-chain and the CNO cycle. Building a theory of the balance between gravitational and radiation forces is difficult, not least because almost all of the information about the Sun can only be gathered at a surface level. Particle physics however predicts that the two aforementioned processes emit different kinds of neutrinos: \textit{solar neutrinos}. While their elusive nature makes them extremely difficult to detect, the same property allows them to escape from the solar core. They are the only direct probe of the solar core's internal processes and their measurement on Earth represents a tremendous experimental and theoretical success. This thesis explores methods related to the experimental challenges of measuring CNO neutrinos. These neutrinos constitute less than one percent of the Sun's neutrino output but their generating process is thought to be the main source of stellar energy in our universe. The findings in this thesis led in part to the first experimental evidence for CNO neutrinos with the Borexino detector, which was published in Nature. Another part of this thesis focuses on JUNO's expected sensitivity to solar neutrinos. JUNO is a very large liquid scintillator currently under construction in south China and is shown in this thesis to have the potential for unprecedentedly precise solar neutrino measurements. These sensitivity studies are also currently under preparation for publication. Finally, this thesis encompasses work with the OSIRIS detector, a pre-detector for JUNO which will make sure its liquid scintillator doesn't exceed certain levels of contamination - which could dismantle its sensitivity not only to its main goal of measuring the neutrino mass hierarchy with $3\sigma$ in six years, but also severely hinder its solar neutrino measurements. The first part of this section is about developing a source calibration program which will perform all of OSIRIS's calibration needs: energy reconstruction, vertex reconstruction, charge reconstruction, and inter-PMT time offsets on a sub-nano-second scale. It will also be used to monitor OSIRIS's scintillator for time-dependent changes thus providing fast feedback. The results presented in this thesis are also currently being implemented in a paper which is planned to be published once the first calibration data has been measured. In the second part of this section, OSIRIS's sensitivity to its main goal of measuring $^{238}$U and $^{232}$Th in the liquid scintillator is calculated with an improved analysis compared to existing ones. The results on OSIRIS's sensitivity to its main goal and to $^{85}$Kr were already published in the European Physical Journal C as part of an overall design and sensitivity review.

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