Search for light sterile neutrinos with the Double Chooz experiment

Hellwig, Denise; Wiebusch, Christopher (Thesis advisor); Stahl, Achim (Thesis advisor)

Aachen (2020) [Doktorarbeit]

Seite(n): 1 Online-Ressource (xviii, 160, XI Seiten)

Kurzfassung

Das Double Chooz Experiment ist ein Reaktor-Antineutrinoexperiment zur präzisen Messung des Neutrinomischungswinkels $ \theta_{13}$. Es befindet sich in Chooz, einem kleinem Dorf in Frankreich, auf dem Gelände des dortigen Kernkraftwerkes Chooz-B. Das Experiment besteht aus zwei nahezu identischen Detektoren, welche bis 2018 den Elektronantineutrinofluss der beiden Reaktorblöcke B1 und B2 gemessen haben. Der Nahdetektor wurde in einem mittleren Abstand von 400 m zu den Reaktorblöcken positioniert und war zwischen Anfang 2015 und Anfang 2018 in Betrieb, während der Ferndetektor in einem mittleren Abstand von 1050 m zu den Reaktorblöcken zwischen April 2011 und Anfang 2018 betrieben wurde. Diese Arbeit präsentiert die Analyse der Double Chooz Daten in Hinblick auf sogenannte leichte sterile Neutrinos. Leichte sterile Neutrinos sind Neutrinos, die nicht an der schwachen Wechselwirkung teilnehmen, und eine Masse im Elektronenvoltbereich oder darunter aufweisen. Sie wurden bisher nicht zweifelsfrei nachgewiesen. Falls sterile Neutrinos mit den bekannten Neutrinosorten mischen, besteht die Möglichkeit sie indirekt über Oszillationseffekte der bekannten Sorten nachzuweisen. Das 3+1 Modell sieht die Einführung einer zusätzlichen sterilen Neutrinosorte vor. Dadurch ergeben sich neue Neutrinomischungswinkels und Massenquartsdifferenzen. Double Chooz ist für Massenquartsdifferenzen $0.003\,\mathrm{eV}^2 \lesssim \Delta m^2_{41} \lesssim 0.3\, \mathrm{eV}^2$ auf den neuen Neutrinomischungsparameter $\sin^2 2\theta_{14}$. Die in dieser Arbeit vorgestellte Analyse beruht auf einem Likelihood-Anpassungsverfahren, das possionische Statistik annimmt und auf dem Vergleich der Daten der beiden Detektoren basiert. Es ist daher nahezu vollständig unabhängig von Vorhersagemodellen für die Neutrinoproduktion in den Reaktoren. Auch andere systematische Unsicherheiten kürzen sich heraus, sofern sie zwischen den beiden Detektoren maximal korreliert sind. Es zeigt sich, dass die Double Chooz Daten mit einer Wahrscheinlichkeit von $24.7\% \pm 2.2\%$ mit der Hypothese $\sin^2 2\theta_{14}=0$ kompatibel sind. Es wird die mit 95% Wahrscheinlichkeit obere Grenze für $\sin^2 2\theta_{14}$ als Funktion von $\Delta m^2_{41}$ gezeigt.

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2020-05375

Downloads