Improvements in the measurement of the neutrino mixing angle $θ_{13}$ with the Double Chooz experiment

Soldin, Philipp; Stahl, Achim; Wiebusch, Christopher

doi:42638

Improvements in the measurement of the neutrino mixing angle $θ_{13}$ with the Double Chooz experiment

Soldin, Philipp^RWTH*

2023

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von M.Sc. Philipp Soldin

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-09-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-09118
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/969334/files/969334.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 39031316 - Bestimmung des leptonischen Mischungswinkels Theta-13 mit dem Double-Chooz Experiment (39031316) (39031316)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Double Chooz (frei) ; likelihood fit (frei) ; neutrino oscillation (frei) ; parameter estimation (frei) ; reactor neutrinos (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Double Chooz ist ein Reaktor Anti-Neutrino Experiment von 2011 bis 2018 in Betrieb war. Sein Hauptzweck war die präzise Messung des Neutrino Mischungswinkels $\theta_{13}$, genauer gesagt, der Neutrino Mischungsamplitude $\sin^{2}(2\theta_{13})$. Der experimentelle Aufbau bestand aus zwei identischen Flüssigszintillator Detektoren mit durchschnittlichen Abständen von 400m und 1km zu zwei Kernreaktoren in Chooz, Frankreich. Die Neutrinos wurden durch die Messung der Signatur des inversen Betazerfalls (IBD) nachgewiesen, die aus prompten Positronenannihilations- und verzögerten Neutroneinfangssignalen besteht. Unter Verwendung der Rate und der Form der spektralen Energieverteilung der gemessenen Neutrinos und unter Berücksichtigung aller relevanten Untergrundbeiträge kann die Neutrinomischungsamplitude $\sin^{2}(2\theta_{13})$ ermittelt werden. Diese Arbeit beschreibt die Implementierung eines Software-Frameworks, das alle diese Aspekte effizient und performant in einem Poisson-basierten Likelihood-Fit umsetzt. Die Analyse wird gründlich auf Konsistenz mit sich selbst geprüft und ebenfalls Kreuz-validiert, um ein unverfälschtes Rekonstruktionsergebnis zu gewährleisten. Die Verwendung einer spektralen Energiemodellierungstechnik zur Einbeziehung von Abweichungen vom ursprünglich angenommenen Reaktorneutrino-Energiespektrum ermöglicht eine Anpassung und Extraktion dieser Abweichungen über mehrere Datensätze hinweg. Die vorgestellte Analyse liefert einen Wert für die Neutrinomischungsamplitude von $\sin^{2}(2\theta_{13}) = 0.1036 ^{+0.0117}_{-0.0118}$. Es wird auch gezeigt, wie die Neutrino-Energiespektren der Reaktoren effizient aufgeteilt werden können, um die Laufzeit der einzelnen Kernreaktoren zu berücksichtigen. Diese Änderung ermöglicht eine verbesserte Schätzung von $\sin^{2}(2\theta_{13})_{\text{Reaktor Split}} = 0.0960_{-0.0105}^{+0.0102}$ mit einer 13\% Verbesserung der Unsicherheit. Alle Ergebnisse sind darüber hinaus mit früheren Ergebnissen der Double Chooz Kollaboration kompatibel.

Double Chooz is a reactor neutrino disappearance experiment that was operating between 2011 until the beginning of 2018. Its primary purpose was the precise measurement of the neutrino mixing angle $\theta_{13}$, or more precisely, the neutrino mixing amplitude $\sin^{2}(2\theta_{13})$. The experimental setup consisted of two identical liquid scintillator detectors at average baselines of about 400m and 1km to two nuclear reactor cores in Chooz, France. The neutrinos were detected by measuring the inverse beta decay (IBD) signature, which consists of prompt positron annihilation and delayed neutron capture signals. Using the rate and spectral energy shape of the measured neutrinos and taking into account all relevant background contributions, the neutrino mixing amplitude $\sin^{2}(2\theta_{13})$ can be obtained. This thesis describes the implementation of a software framework that realizes all these aspects efficiently and performantly in a Poisson -based Likelihood fit. The analysis is checked thoroughly for self-consistency and is cross-validated to ensure an unbiased reconstruction result. Using a spectral energy modeling technique to incorporate deviations from the initially assumed reactor neutrino energy spectrum allows for an adaptation and extraction of these deviations across multiple data sets. The presented analysis gives an estimate for the neutrino mixing amplitude of $\sin^{2}(2\theta_{13}) = 0.1036 ^{+0.0117}_{-0.0118}$. It is also shown how the reactor neutrino energy spectra can be efficiently split to incorporate the runtime of each nuclear reactor. This change allows an improved estimate of $\sin^{2}(2\theta_{13})_{\text{Reactor Split}} = 0.0960_{-0.0105}^{+0.0102}$ with a 13\% improvement uncertainty. All the fit results are compatible with previous results from the Double Chooz collaboration.

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