Software and hardware development for the next-generation liquid scintillator detectors JUNO and OSIRIS

Genster, C.; Ludhová, Livia (Thesis advisor); Stahl, Achim (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (XI, 190 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Kurzfassung

Große Flüssigszintillator~(FSz)-Detektoren sind bewährte Instrumente auf dem Gebiet der Neutrino-Physik. Basierend auf verschiedenen erfolgreichen Experimenten, die die derzeit genausten Werte für mehrere Parameter von Neutrino-Oszillationen gemessen haben, wird eine neue Generation von Detektoren mit mehreren zehn Kilotonnen FSz entwickelt. Das Jiangmen Underground Neutrino Observatory~(JUNO) ist ein 20-Kilotonnen-FSz-Detektor, der vollständig finanziert und in China gebaut wird. Sein Hauptziel ist die Bestimmung der Neutrinomassenordnung~(MO) durch eine Präzisionsmessung des Spektrums von Elektron-Antineutrinos aus Kernreaktoren. Der erste Teil dieser Arbeit behandelt die zugrundeliegende Theorie der Neutrino-Oszillationen, das JUNO-Detektordesign und wie Neutrinos aus verschiedenen Quellen mit diesem Instrument nachgewiesen werden können. Der Fokus liegt auf einem korrelierten Hintergrund für die Messung des inversen Beta-Zerfall~(IBD) von Reaktor-Antineutrinos, der von kosmischen Myonen stammt. Wenn diese den Detektor passieren, können sie instabile Radioisotope erzeugen, die nach kurzer Zeit in einem (beta + n)-Kanal zerfallen. Um diesen Hintergrund zu erkennen und zu unterdrücken, ist es von fundamentaler Bedeutung, die Spur des Myons genau zu kennen. Zu diesem Zweck wird in dieser Arbeit ein neuartiger Myon-Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt und getestet. Es basiert auf dem geometrischen Modell der Schnittlinie des PMT-Arrays mit der Front des ersten Lichtes. Die Spurparameter werden in einem Likelihood-Fit optimiert, basierend auf Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen, die mit einer detaillierten Detektorsimulation erzeugt werden. Zusätzlich wird eine Simulation der Ausleseelektronik durchgeführt, um die bestmögliche Abschätzung der Genauigkeit mit realen Daten zu erhalten. Ausgenommen vom äußersten Rand des Detektors, kann der Abstand der Myonspur vom Detektorzentrum DeltaD mit einer Unsicherheit von 5 cm und ihre Richtung mit 0.3° bestimmt werden. Die Auswirkungen auf die sensitive Masse des Detektors durch ein Myon-Veto auf der Grundlage dieser Rekonstruktion wurden ebenfalls untersucht. Im Vergleich zur perfekten Kenntnis jeder Myonenspur, erzeugt die entwickelte Methode nur zusätzliche 4 % Verlust an sensitiver Masse. Im zweiten Teil wird ein Vordetektor für JUNO untersucht. OSIRIS ist ein eigenständiger, 20 Tonnen-FSz-Detektor, der verwendet wird, um die Reinheit des FSz zu überwachen, bevor er in JUNO gefüllt wird. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine detaillierte Detektorsimulation auf Basis von C++11 und Geant4 entwickelt. Diese wird dann verwendet, um die Sensitivität des Detektors für sein Hauptziel zu bestimmen - die Identifizierung von Bi-Po-Koinzidenzen aus den Zerfallsketten von U-238 und Th-232 im FSz. Darüber hinaus wird eine Kalibrierungskampagne für OSIRIS entwickelt. Unter Berücksichtigung der verfügbaren Hardware, wird die Entscheidung getroffen, eine automatisierte Kalibriereinheit~(ACU) aus der Daya Bay Kollaboration einzusetzen. Der Energiebereich von 0.5 - 3 MeV wird kalibriert, indem der Detektor gleichzeitig Cs-137, Zn-65 und Co-60 in einer einzigen Kapsel ausgesetzt wird. Mit unterschiedlichen vertikalen Positionen in einem festen radialen Abstand r = 120 cm vom Zentrum des Detektors kann die Nicht-Uniformität des Ansprechverhaltens bestimmt werden. Die Zeitkalibrierung der PMTs mit einer Genauigkeit von ~0.1 ns wird mit einer 430 nm LED realisiert, die entlang der gleichen vertikalen Achse eingesetzt werden kann.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2019-11430

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