Kurzfassung
Unsegmentierte Flüssigszintillator (FSz)-Neutrinodetektoren haben sich als erfolgreiche
Instrumente in der Neutrinophysik erwiesen. Üblicherweise messen diese
terrestrische und astrophysikalische Niederenergieneutrinos und -antineutrinos
mit Energien bis zu einigen zehn MeV. Designs für Detektoren der nächsten
Generation basierend auf dieser Technologie beabsichtigen den Einsatz mehrerer
zehn Kilotonnen an FSz. Zwei Beispiele sind das in Europa in Betracht gezogene
Low Energy Neutrino Astronomy (LENA)-Projekt mit 50 kt und das sich in
China im Bau befindende Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO)
mit 20 kt. Ein Schlüsselfaktor zum Erreichen der wissenschaftlichen Ziele dieser
Projekte, z.B. die Bestimmung der Neutrinomassenordnung im Fall von JUNO,
wird die eiziente Unterdrückung von Untergrund durch von kosmogenen Myonen
produzierte Radioisotope sein. Diese benötigt präzise Rekonstruktionen von
ausgedehnten Myonereignistopologien im FSz-Volumen.
Im ersten Teil dieser Arbeit geht es um die Implementierung eines neuartigen,
iterativen Spurrekonstruktionsverfahrens für unsegmentierte FSz-Detektoren
und eine grundlegende Evaluierung dessen Leistungsfähigkeit mit der LENA
Detektorsimulation. Das endgültige Ziel der neuen Methode ist es die räumliche
Anzahldichteverteilung von Emissionen optischer Photonen zu rekonstruieren.
Das wird den diferentiellen Energieverlust dE/ dx eines geladenen Teilchens in
FSz zugänglich machen und Details der Topologie eines Ereignisses aufösen, z.B.
erzeugte Teilchenschauer. Visuelle Vergleiche von Rekonstruktionsergebnissen
mit Monte Carlo (MC)-Wahrheiten geben bereits Hinweise auf diese Fähigkeit.
Erste quantitative Resultate wurden aus den 3D Rekonstruktionsdaten von vollständig
im Detektor enthaltenen Myonen im Bereich von 1 bis 10 GeV kinetischer
Energie extrahiert: Trotz einiger gut verstandener systematischer Effekte in der
momentanen Methode zum Auffinden von Start- und Endpunkt einer Spur wurden
für diese Punkte Auflösungen von ≲ 25 cm lateral zur rekonstruierten Spur
festgestellt. Die bestimmte Winkelauflösung von ∼1.4° bei 1 GeV verbessert sich
mit zunehmender Myonenergie auf ∼0.3°. Mit der momentanen Analysemethode
folgt die relative Energieauflösung in etwa der Funktion 10%/
√ E/1 GeV
+2%.
Die Anwendung des neuen Verfahrens ist nicht auf kosmogene Myonen beschränkt.
Zukünftige Weiterentwicklungen könnten die Rekonstruktion komplexer
Ereignistopologien von GeV Neutrinointeraktionen ermöglichen. Über
das (übliche) Niederenergieneutrinoprogramm hinaus würde dieser Fall neue
Verwendungsmöglichkeiten für unsegmentierte FSz-Detektoren eröfnen. Der
zweite Teil dieser Arbeit untersucht daher das Potential von LENA in einem
Neutrinooszillationsexperiment mit langer Verbindungslinie zwischen Quelle und
Detektor und mit einem konventionellen Multi-GeV-Neutrinostrahl wie in der
Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics (LAGUNA)-
Long-baseline Neutrino Oscillation (LBNO) Designstudie vorgeschlagen: Ein
750 kW Neutrinostrahl, der über eine Distanz von ∼2300km vom Conseil Européen
pour la Recherche Nucléaire (CERN) auf die Pyhäsalmi-Mine in Zentralfinnland
zielt. Das Potential die Neutrinomassenordnung und leptonische
CP-Verletzung zu entdecken wurde mit dem General Long Baseline Experiment
Simulator (GLoBES)-Paket in Kombination mit MC-Techniken studiert. Unter
der Annahme von gleichmäßig zwischen Neutrino- und Antineutrinomodus
aufgeteilter, zehnjähriger Laufzeit wurde nur eine niedrige Sensitivität bezüglich
CP-Verletzung gefunden. Allerdings konnte in der Massenordnungsstudie,
abhängig vom wahren Wert der CP-verletzenden Phase δCP, die Hypothese
Invertierte Ordnung (IO) (Normale Ordnung (NO)) mit einer Mediansensitivität
von 4.6-6.7σ (4.2-5.8σ) verworfen werden, wenn die NO (IO) realisiert ist.
Unsegmented liquid scintillator (LSc) neutrino detectors have proven to be successful instruments of neutrino physics. They usually measure terrestrial and astrophysical low-energy (LE) neutrinos and antineutrinos with energies up to some tens of MeV. Designs for next-generation detectors based on this technology intend to use several tens of kilotons of LSc. Two examples are the Low Energy Neutrino Astronomy (LENA) project with 50 kt considered in Europe and the Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) with 20 kt already under construction in China. A key factor to reach the scientific goals of these projects, e.g., the determination of the neutrino mass ordering (MO) in the case of JUNO, will be the eicient rejection of background from radioisotopes produced by cosmogenic muons. This requires accurate reconstructions of extended muon event topologies in the LSc volume. The fist part of this work is about the implementation of a novel, iterative track reconstruction procedure for unsegmented LSc detectors and a basic evaluation of its performance with the LENA detector simulation. The ultimate goal of the new method is to reconstruct the spatial number density distribution of optical photon emissions. This will give access to a charged particles diferential energy loss dE/ dx in LSc and resolve details of an eventŠs topology, e.g., induced particle showers. Visual comparisons of reconstruction outcomes with Monte Carlo (MC) truths already provide evidence for this capability. First quantitative results were extracted from the 3D reconstruction data of fully-contained muons in the kinetic energy range from 1 to 10 GeV: Despite some well understood systematic efects in the current method to find start and end point of a track, resolutions ≲ 25 cm lateral to the reconstructed track were ascertained for these spots. The determined angular resolution of ∼1.4° at 1 GeV improves to ∼0.3° with rising muon energy. With the current analysis method, the relative energy resolution approximately follows the function 10%/ √ E/1 GeV +2%. The application of the new technique is not limited to cosmogenic muons. Future advancements may allow the reconstruction of the complex event topologies of GeV neutrino interactions. Beyond the (usual) LE neutrino program, this case would open up a new range of applications for unsegmented LSc detectors. The second part of this work therefore investigates the performance of LENA in a long-baseline neutrino oscillation (LBNO) experiment with a conventional multi- GeV neutrino beam as proposed in the Large Apparatus for Grand Unification and Neutrino Astrophysics (LAGUNA)-LBNO design study: A 750 kW neutrino beam aiming over a distance of ∼2300km from the Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) to the Pyhäsalmi mine in central Finland. The potential to discover the neutrino MO and leptonic CP-violation was studied with the General Long Baseline Experiment Simulator (GLoBES) package in combination with MC techniques. Assuming ten years of runtime equally shared between neutrino and antineutrino mode, only a low sensitivity to CPviolation was found. However, in the MO study, the inverted ordering (IO) (normal ordering (NO)) hypothesis could be rejected at true NO (IO) with a median sensitivity of 4.6-6.7σ (4.2-5.8σ), depending on the true value of the CP-violating phase δCP.