Titel: 3D Topological Reconstruction in JUNO applied to GeV events
Sonstige Titel: 3D Topologische Rekonstruktion in JUNO angewendet auf GeV-Events
Sprache: Englisch
Autor*in: Meyhöfer, David Johannes
Schlagwörter: JUNO; reconstruction; scintillator; neutrino; cosmogenic; track; topological; muon; quadratic
GND-Schlagwörter: Neutrino; Kosmogenes Radionuklid; Rekonstruktion; Simulation; Szintillator; Photon; Myon
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2021-02-19
Zusammenfassung: 
In recent years unsegmented liquid scintillator detectors have demonstrated to be an excellent tool for neutrino physics. Typically, these detector types investigate low energy neutrino interactions, in the MeV range. An example for this is the Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) detector, which is currently under construction and will start taking data in 2021. It will be filled with 20 kt liquid scintillator and measure reactor electron anti neutrinos from two nuclear power plants that each are ∼53 km away from the detector. Their signal is of importance for the determination of the neutrino mass ordering. Additionally, JUNO will determine the solar oscillation parameters θ-12 and ∆m^2-21 with unprecedented precision. To achieve this an excellent energy resolution and an effective background reduction is of the essence. A main background are the isotope Li-9 and He-8, which are constantly generated during showering muon events. Therefore, an accurate muon reconstruction and the determination of energy deposition along muon tracks is essential.
During this thesis, a cosmogenic simulation was developed to evaluate the impact of more rigorous muon veto strategies. With it the spatial distribution of the isotopes Li-9 and He-8 was explored. By testing different veto approaches which do assume shower detectability, it could be determined that up to 12.8 % more total active volume is deemed to be reachable for JUNO. This prompts the development of reconstruction methods that can determine shower positions.
The Topological Track Reconstruction (TTR) is one approach that has been further developed as part of this work. It has the option of determining shower positions along muon tracks, but is not fast enough to be used during live measurement. Hence, a second topological reconstruction approach was developed. The Quadratic Reconstruction (QR) uses a similar concept as the TTR, but is much faster, because it is only executed along a muon track instead of the whole detector. With this, it is possible to determine shower positions with an accuracy of σ = 35 cm for more than 80 % of showers, which deposit more than 400 MeV. With the explored veto strategies, it is probably possible to measure 10 % more signal in JUNO. Additionally, the reconstruction approaches can also be adapted by other unsegmented liquid scintillator detector experiments to improve their veto strategies.

In den letzten Jahren haben unsegmentierte Flüssigszintillator-Detektoren bewiesen, dass sie gut geeignet für Neutrinophysik sind. Diese Art von Detektor untersucht hauptsächlich niedrig energetische Neutrino Iteraktionen im MeV-Bereich. Ein Beispiel dafür ist der Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) Detektor, welcher momentan gebaut wird und dessen Datennahme in 2021 beginnt. Er wird mit 20 kt Flüssigszitillator gefüllt sein und Reaktor-electron-antineutrinos messen. Diese gehen von zwei Kernkraftwerken aus, welche jeweils ∼53 km vom Detektor entfernt sind. Ihr Signal ist wichtig für die Bestimmung der Neutrinomassenordnung. Außerdem wird JUNO die solaren Oszillationsparameter θ-12 und ∆m^2-21 mit nie zuvor da gewesener Präzision messen. Dafür ist eine exzellent Energieauflösung und eine effektive Hintergrundunterdrückung wichtig. Ein Haupthintergrundsignal geht von den Isotopen Li-9 and He-8 aus, welche während schauernden Muonen erzeugt werden. Deswegen ist es essenziell eine akkurate Muonrekonstruction zu entwickeln, die auch Energiedeposititionen entlang der Muonspuren bestimmen kann.
Während dieser Arbeit wurde eine Konsmogenen-Simulation entwichelt, welche benutzt wurde um stringenter Muonvetos zu evaluieren. Damit wurde die räumliche Verteilung der Isotope Li-9 und He-8 studiert. Dabei ist herausgekommen, dass bis zu 12.8 % mehr totales aktives Volumen in JUNO erreicht werden kann. Dies wurde durch das Testen verschiedener Vetoansätze ermittelt und setzt die Möglichkeit der Schauererkennung voraus. Daher ist es wichtig Reconstruktionsansätze zu finden, welche dieses können.
Während dieser Arbeit wurde die Topological Track Reconstruction (TTR) weiter entwickelt. Sie bietet die Möglickeit Schauer entlang der Muonspuren zu identifizieren, ist jedoch nicht schnell genug um sie während der Messung anzuwenden. Von daher wurde ein zweiter Ansatz entwickelt. Die Quadratic Reconstruction (QR) benutzt ein Konzept, welches vergleichbar mit der TTR ist. Sie ist jedoch wesentlich schneller, weil sie nur entlang der Muonspur angewendet wird. Mit der QR ist es möglich Schauerpositionen mit einer Genauigkeit von σ = 35 cm zu finden. Diese gelingt für mehr als 80 % der Schauer, wenn diese mehr als 400 MeV deponieren. Mit den getesteten Vetostrategien ist es vermutlich möglich 10 % mehr Signal in JUNO zu messen. Desweiteren, können diese Rekonstruktionsstrategien auch für andere unsegmentierte Flüssigszintillator-Detektoren benutzt werden, was zur Verbesserung derer Vetostrategien benutzt werden kann.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9037
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-93047
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Hagner, Caren
Wonsak, Björn
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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