Light Separation in an ideal Water-Based Liquid Scintillator Detector

Abstract

For many years unsegmented Liquid Scintillator (LS) and Water-Cherenkov (WC) detectors have made spectacular contributions to the field of neutrino physics. In recent years, the idea of mixing these detector types is pursued with using e.g. Water-based Liquid Scintillator (WbLS) as active medium, which gives access to Cherenkov radiation and scintillation light at once. This is desirable because of the advantages of both light types. The direction reconstruction of low energetic electrons (< 10 MeV) is an area, where Cherenkov radiation stands out. The lower energy threshold and the proportionality of the photon yield to the deposited energy makes scintillation light well suited for calorimetry. These advantages are only accessible though, when the photon hits on the photodetectors can be assigned to the light types and therefore a light separation can be conducted. Here this thesis comes into play with a small and idealised WbLS detector with a radius of 2.185 m and a height of 4.285 m, that was simulated with Geant4. This detector is completely covered with novel photosensors in form of the Large Area Picosecond Photodetector (LAPPD). These photodetectors are with a time and a spatial resolution of under 100 ps and 5 mm best suited to separate Cherenkov and scintillation photons based on their spatial and timing characteristics. With help of simulated events in the low energy regime, a successful light separation algorithm is developed based on the Topological Track Reconstruction (TTR). The samples in question are 12, 000 events of electron, muon and gamma type below 120 MeV and 14, 000 events of proton type below 140 MeV. Additionally, 10, 000 electron events with energies below 10 MeV are investigated. In the best performing interval in terms of energy, purities from (68 ± 22) % (±1 σ) for the muon sample to (81±8) % for the electron sample are reached with a simultaneous efficiency of (75 ± 31) % and (87 ± 15) % for the separation of Cherenkov and scintillation photons. Based on that, the direction of the low energy electrons were determined with a maximum precision of (13.45 ± 11.22)◦ . A result that hints that this detector technology could be used to suppress background from solar neutrinos based on the neutrinos direction. Furthermore, a successful Particle Identification (PID) was conducted, for which for example electrons and gammas were selected against a background of muons and protons. Here, for the electrons [gammas] a purity of (98.5 ± 0.8) % [(98.8 ± 0.7) %] with efficiencies of (97.1 ± 1.0) % [(93.9 ± 1.6) %] were reached. This can be used for example to suppress atmospheric neutrino backgrounds in the search for the Diffuse Supernova Neutrino Background (DSNB).

Seit vielen Jahren haben unsegmentierte Flüssigszintillator- und Wasser-Cherenkov-Detektoren spektakuläre Beiträge zum Feld der Neutrinophysik geleistet. In jüngster Zeit wird die Idee einer Mischung dieser Detektortypen verfolgt, indem zum Beispiel wasserbasierter Flüssigszintillator als aktives Medium verwendet wird, was gleichzeitigen Zugang zu Cherenkovstrahlung und Szintillationslicht ermöglicht. Dies ist erstrebenswert, weil beide Lichttypen ihre Vorteile haben. Elektronenrichtungsrekonstruktion auch für niedrige Energien (< 10 MeV) ist ein Beispiel, bei dem sich Cherenkovstrahlung hervortut, während die niedrigere Energieschwelle und die zur deponierten Energie proportionale Photonausbeute beim Szintillationslicht exzellent für Kalorimetrie geeignet ist. Diese Vorteile sind allerdings nur zugänglich, wenn die Photonentreffer auf den Photodetektoren den Lichtsorten zugeordnet werden können und eine Lichttrennung erfolgen kann. Hier setzt diese Arbeit an mit einem kleinen in Geant4 simulierten, idealisierten wasserbasierten Flüssigszintillatordetektor mit einem Radius von 2.185 m und einer Höhe von 4.285 m. Dieser Detektor ist komplett ausgekleidet mit den neuartigen Photosensoren namens Large Area Picosecond Photodetector (LAPPD), die mit einer Zeitauflösung von unter 100 ps und einer örtlichen Auflösung von unter 5 mm hervorragend dafür geeignet sind, Cherenkov- und Szintillationsphotonen anhand ihrer örtlichen und zeitlichen Charakteristiken zu trennen. Mithilfe von niederenergetischen, simulierten Ereignissen wird ein erfolgreicher Lichttrennungsalgorithmus entwickelt auf Basis der topologischen Spurrekonstruktion. Dabei handelt es sich um 12.000 Ereignisse für jeweils Elektronen, Myonen und Gammas unter 120 MeV und 14.000 Ereignisse für Protonen mit Energien unter 140 MeV. Außerdem wurden 10.000 Elektronereignisse unter 10 MeV untersucht. Dabei wurden im performantesten Energieintervall Reinheiten von (68 ± 22) % (±1 σ) für die Myonenereignisse bis zu (81 ± 8) % für die Elektronenereignisse erzielt bei gleichzeitiger Effizienz von (75 ± 31) % und (87 ± 15) % für die Separation von Cherenkov- und Szintillationsphotonen. Davon ausgehend wurde die Richtung der niederenergetischen Elektronen mit einer maximalen Genauigkeit von (13.45 ± 11.22)◦ bestimmt. Ein Ergebnis, das darauf hinweist, dass diese Detektortechnologie dafür geeignet sein könnte, solare Neutrinos anhand ihrer Richtung als Untergrund zu unterdrücken. Außerdem wurde eine erfolgreiche Teilchenidentifikation durchgeführt, bei der zum Beispiel Elektronen und Gamma aus einem Untergrund von Myonen und Protonen selektiert wurden. Dabei wurden im besten Fall für die Elektronen [Gammas] Reinheiten von (98.5 ± 0.8) % [(98.8 ± 0.7) %] bei Effizienzen von (97.1 ± 1.0) % [(93.9 ± 1.6) %] erreicht. Dies kann zum Beispiel genutzt werden um atmosphärische Neutrinos als Untergrund bei der Suche nach dem diffusen Supernovahintergrund zu unterdrücken.