Kurzfassung
Das Hauptziel von JUNO ist die Auflösung der Neutrinomassenhierarchie durch präzise Messung des Oszillationspektrums von Reaktor-Antineutrinos. Um dieses Ziel zu erreichen, ist allerdings eine genaue Kenntnis des unoszillierten Reaktorspektrums erforderlich. Da das vorhandene Referenzspektrum ein Defizit in den gemessenen Reak-
torflüssen aufweist, wird das TAO-Experiment als Referenzdetektor für JUNO eingesetzt. TAO ist ein Flüssigszintillatordetektor im Tonnenbereich mit einem Abstand von 44 m zu einem Reaktor. Mit einer Anordnung aus 4024 Silizium-Photomultiplier (SiPMs) und einer Betriebstemperatur von −50∘ C wird erwartet, dass TAO etwa 2000
Antineutrino-Ereignisse pro Tag messen wird mit einer gewünschten Energieauflösung von weniger als 2 % bei einem MeV Energie. Dafür ist eine präzise Rekonstruktion der Reaktor-Antineutrino-Ereignisse notwendig. Diese Ereignisse finden als Inverser
Betazerfall statt, der ein promptes Positron- und ein verzögertes Neutronsignal zur Folge hat. Da die meiste Energie von den Positronen weggetragen wird, ist der Fokus dieser Arbeit die Energie- und Vertexrekonstruktion von Positronenereignssen, die
von der offiziellen TAO offline Software generiert werden. Die Rekonstruktion wurde mithilfe von Graph Convolutional Networks (GCNs) durchgeführt. Der Graph besteht dabei aus 4024 Knoten, die die SiPMs repräsentieren, wobei jeder Knoten die Zeit
des ersten Photontreffers und die Anzahl der Photontreffer als Eigenschaften hat. Das Modell wurde auf fünf Millionen Ereignisse mit Energien zwischen einem und zehn MeV trainiert und validiert. Die finale Evaluation auf dem 1 MeV-Datensatz resultierte in einer Vertexauflösung von 8 mm und einer Energieauflösung von 1, 8 %, wobei sich beide Auflösungen für höhere Energien weiter verbesserten. Das Experiment ESSnuSB+ zielt darauf ab, die Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitte
für unter 600 MeV zu messen. Dafür wird ein Strahl aus Protonen mit einer Energie von 2 GeV aus dem ESS auf ein Titaniumtarget gelenkt, wodurch ein sekundärer Strahl aus Hadronen, hauptsächlich Pionen, entsteht. Das Fokussieren dieser Pionen via Magnete (sogenannter magnetic horns) ist essentiell für einen intensiven Neutri-
nostrahl. In dieser Studie wird ein solcher Magnet mit FLUKA simuliert und seine Spezifikationen mithilfe von einem genetischen Algorithmus optimiert. Dabei wurden Größen wie Längen, Radien, Höhen und der elektrische Strom in 50 Generationen optimiert, nach denen keine weitere signifikante Verbesserung festgestellt werden konnte. Die Kenngröße für die Höhe der Detektionseffizienz konnte dabei von 0,725 auf 0,860 verbessert werden. Das entspricht einer Zunahme der Pionenkonzentration von 20 % mit der optimierten Magnetkonfiguration. Mit der verbesserten Fokussierung verbessert sich auch der Neutrinofluss und damit die Präzision für die Vermessung der Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitte.
The primary goal of JUNO is to resolve the neutrino mass hierarchy using precision spectral measurements of reactor antineutrino oscillations. To achieve this goal a precise knowledge of the reactor spectrum is required. Since the existing reference spectra show a deficit in measured reactor fluxes, TAO, a ton-level, liquid scintillator detector with a baseline of 44 m, is set up as a reference detector to JUNO. With a set of 4024 Silicon Photomultipliers (SiPM) and an operating temperature at -50∘C, TAO is expected to record about 2000 antineutrino events per day and aims to achieve a resolution of less than 2% at 1 MeV. For that, a precise reconstruction of the reactor antineutrino events is necessary. These events occur through the Inverse Beta Decay (IBD), producing a prompt positron and delayed neutron signal. Since positron events carry most of the energy, this thesis focuses on the vertex and energy reconstruction of positron events generated by the official TAO offline software. The reconstruction was carried out through Graph Convolutional Networks (GCNs). A graph, resembling the detector with 4024 nodes representing SiPMs with features, first hit time and hit counts was modeled. The model was trained and validated on 5 million events covering energies from 1-10 MeV. The final evaluation on the 1 MeV subset resulted in a vertex resolution of 8 mm and energy resolution of 1.8 %. Notably, both vertex and energy resolutions even increased for higher energies. The ESSnuSB+ aims to precisely measure neutrino interaction cross sections below 600 MeV. The 2 GeV proton beam from the ESS hits the titanium target, resulting in a secondary hadron beam predominantly consisting of pions. The focusing of charged pions is done by the magnetic horns and is critical for generating intense neutrino beams. In this study, the horn is simulated using FLUKA and its configuration is optimized utilizing a Genetic Algorithm (GA). Dimensions of the horn like the lengths, radii, heights, and current were optimized for 50 generations, after which no significant improvement was observed. The fitness score, a measure of detection efficiency, improved from 0.725 to 0.860, resulting in a 20% increase in pion concentration, with the optimized horn configuration. This enhanced focusing will improve neutrino flux and precision in measurements of neutrino cross sections.