Measurement of $pp$ and CNO cycle solar neutrinos with Borexino

Penek, Ömer; Ludhová, Livia (Thesis advisor); Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Die Hauptthematik dieser Arbeit befasst sich mit der Erforschung und Messung solarer Neutrinos mit dem Flüssigszintillatordetektor Borexino, welcher sich im Laboratori Nazionali del Gran Sasso in L'Aquila, Italien befindet. Solare Neutrinos sind Teilchen, die im Kern der Sonne als Folge von Fusionsreaktionen entstehen. Dabei handelt es sich um die Proton-Proton- oder $pp$-Fusion als Haupt- und dem Kohlenstoff-Stickstoff-Sauerstoff- oder CNO-Zyklus als Nebenmechanismus. Beide Prozesse erklären, wie in der Sonne bzw. in Sternen Energie produziert wird, d.h. wie Wasserstoff zu Helium verbrannt wird. Bei der $pp$-Fusion verschmelzen zwei Wasserstoffkerne oder Protonen miteinander und leiten die sogenannte $pp$-Kette ein. Der CNO-Zyklus hingegen wird durch die Fusion von Protonen mit Kohlenstoff-12-Isotopen eingeleitet. Als Folge dieser Reaktionen werden solare Neutrinos erzeugt, welche ca. acht Minuten brauchen, um die Erde zu erreichen und somit eine direkte Informationsquelle für die Beobachtung des Sonneninnern darstellen. Die Energie- und Flussverteilung, also Anzahl der emittierten Neutrinos pro Quadratzentimeter und pro Sekunde, dieser Neutrinos kann unter Zuhilfenahme der Kernphysik und des solaren Standardmodells präzise vorhergesagt werden. Diese Informationen können genutzt werden um die Energieverteilung von, durch solare Neutrinos induzierten, gestreuten Elektronen zu bestimmen. Diese Spektren können als Modell genutzt werden um die, mit dem Borexino-Detektor, gemessenen Daten zu beschreiben, wobei der Szintillator-Untergrund minimal gehalten und dessen Komponenten genau gekannt werden müssen. Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit der Messung von $pp$-, $pep$-, $^{7}\textrm{Be}$- und $^{8}\textrm{B}$-Neutrinos aus der $pp$-Kette, und CNO-Neutrinos aus dem CNO-Zyklus. \newline Die Zweitthematik dieser Arbeit befasst sich mit einer Studie zur Messung des Form-Faktors der radioaktiven $\beta^{-}$-Quelle $^{144}\textrm{Pr}$ mit Hilfe eines Plastikszintillator-Aufbaus, welcher sich im Forschungszentrum CEA in Paris-Saclay, Frankreich befindet. Die Untersuchung der $^{144}\textrm{Pr}$-Quelle ist im Rahmen des SOX-Projektes (SOX = short distance neutrino oscillations with Borexino) entstanden und stellte eine Probequelle mit geringerer Aktivität dar. Die Hauptquelle, welche sich in Produktion befand und letztlich nicht bereitgestellt werden konnte, sollte unter den Borexino-Detektor platziert werden um so Neutrinooszillationen auf kurzen Distanzen, im Hinblick auf die Existenz steriler Neutrinos, zu studieren. Das Projekt wurde wurde jedoch Anfang $2018$ offiziell beendet, da es nicht möglich gewesen ist, die Hauptquelle zu präparieren. Infolgedessen musste der Fokus auf dieses Thema innerhalb dieser Arbeit deutlich reduziert werden.

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