Mikko Meyer, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2016 :
"SOX - Towards the Detection of Sterile
Neutrinos in Borexino
Beta Spectrum Modeling, Monte Carlo Development and
Sensitivity Studies for the Sterile Neutrino Search in Borexino"
Summary
Eine Reihe von Experimenten in der Neutrinophysik haben Anomalien beobachtet, die sich
möglicherweise durch die Einführung eines vierten, eines sogenannten sterilen Neutrinos mit
einer quadratischen Massendifferenz von 1 eV^2 zu den drei aktiven Neutrinos, erklären ließen.
Das SOX-Projekt ist Teil des experimentellen Forschungsprogramms des Borexino-Experimentes
und widmet sich der Aufklärung der beobachteten Anomalien. Zu diesem Zweck wird
eine Antineutrinoquelle (144Ce-144Pr) und möglicherweise auch eine Neutrinoquelle (51Cr )
unterhalb des großen, mit Flüssigszintillator gefüllten, Borexino-Detektors installiert. Der
Detektor bietet sowohl eine präzise Energie- als auch Vertexau
flösung um ein mögliches Oszillationsmuster
innerhalb des Detektorvolumens abzubilden. Die theoretische Berechnung
des Antineutrinospektrums basiert auf bestehenden theoretischen Modellen und wurde im
Rahmen dieser Dissertation durchgeführt. Die Modelierung umfasst eine Vielzahl von Korrekturen,
die z.B. die endliche Ausdehnung des Kernes, Abschirmungseffekte der Elektronen
sowie Strahlungseffekte umfassen. Darüber hinausgehend wurden Monte-Carlo-Generatoren
entwickelt, die die physikalische Interaktionen über den inversen Beta-Zerfall sowie der elastischen
Streuung der Neutrinos bzw. Antineutrinos an Elektronen simulieren. Basierend auf
einer sogenannten profile likelihood Analyse wurde die Sensitivität des SOX-Projektes in
Hinblick auf die sterile Neutrinosuche evaluiert. Die Resultate dieser Studie zeigen, dass
der derzeitig erlaubte Parameterraum für sterile Neutrinos bei einen Konfidenzlevel von 95%
getestet werden kann. Abschließend wird ein alternatives Konzept zur Suche nach sterilen
Neutrinos vorgestellt. Dieses als Borexino+IsoDAR bezeichnete Konzept basiert auf einen
Zyklotron und einen Berylliumziel in der Nähe des Borexino Detektors.
Titel
Kurzfassung
Several experiments have reported anomalies in the neutrino sector which might be explained
by the existence of a fourth (sterile) neutrino with a squared mass difference of about 1 eV2
to the other three active neutrinos. The SOX project is part of the experimental program of
the Borexino experiment and seeks for a clarification of the observed anomalies. For that
purpose an artifficial antineutrino source (144Ce-144Pr) and possibly neutrino source (51Cr)
will be deployed underneath the large low background detector Borexino. The detector provides
both energy and vertex resolution to observe a possible oscillation signature within the
detector volume. The calculation of the antineutrino spectrum is based on existing theoretical
models and was performed within this thesis. The modeling includes several sub-leading
corrections particularly such as finite size of the nucleus, screening of the atomic electrons
and radiative effects. Related to this work, dedicated Monte Carlo generators have been developed
to simulate the inverse beta decay reaction and the (anti)neutrino elastic scattering
off electrons. Based on a profile likelihood analysis, the sensitivity to the sterile neutrino
search of the SOX project was evaluated. The results obtained from this analysis confirm
that the currently allowed parameter regions for sterile neutrinos can be tested at 95% confi-
dence level. Finally, an alternative concept for the sterile neutrino search is presented which
is based on a cyclotron and a Beryllium target near Borexino (Borexino+IsoDAR).