Final KARMEN results on neutrino oscillations and neutrino-nucleus interactions in the energy regime of supernovae [Elektronische Ressource] / Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe. Jürgen Reichenbacher

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• Publié le: 01 janvier 2005
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Extrait

Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft
Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7093








Final KARMEN-Results on
Neutrino-Oscillations and
Neutrino-Nucleus-Interactions
in the Energy-Regime of
Supernovae



J. Reichenbacher
Institut für Kernphysik



















Juni 2005 Forschungszentrum Karlsruhe
in der Helmholtz-Gemeinschaft

Wissenschaftliche Berichte
FZKA 7093



Final KARMEN-Results on Neutrino-Oscillations
and Neutrino-Nucleus-Interactions
in the Energy-Regime of Supernovae

Jürgen Reichenbacher
Institut für Kernphysik

von der Fakultät für Physik
der Universität Karlsruhe (TH) genehmigte Dissertation







Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Karlsruhe
2005
















Impressum der Print-Ausgabe:


Als Manuskript gedruckt
Für diesen Bericht behalten wir uns alle Rechte vor

Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Postfach 3640, 76021 Karlsruhe

Mitglied der Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft
Deutscher Forschungszentren (HGF)

ISSN 0947-8620

urn:nbn:de:0005-070939Final KARMEN-Results on
Neutrino-Oscillations and
Neutrino-Nucleus-Interactions
in the Energy-Regime of Supernovae
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften
der Fakultat fur Physik der˜ ˜
Universitat Karlsruhe (TH)˜
genehmigte
Dissertation
von
Dipl.{Phys. Jurgen˜ Reichenbacher
aus Karlsruhe
Tag der mundlic˜ hen Prufung:˜ 5.November 2004
Referent: Prof. Dr. J. Blumer˜
Korreferent: Prof. Dr. K.{H. KampertZUSAMMENFASSUNG
Das KARMEN Neutrinoexperiment untersuchte von 1990-2001 an der Spallations-
neutronenquelle ISIS Neutrino-Kern-Wechselwirkungen im Energiebereich bis zu 53
MeV mit spektroskopischer Qualitat. Myonanti-, Elektron- und Myonneutrinos ent-˜
stehen im ISIS Target aus der Pion- und Myonzerfallskette in Ruhe. In Verbindung
mit der einzigartigen Zeitstruktur des ISIS Beschleunigers und den jeweils charak-
teristischen Detektorsignaturen konnten geladene und neutrale Stromreaktionen an
C-12, C-13 und Fe-56 mit einem Signal zu Untergrundverhaltnis von bis zu 100:1˜
nachgewiesen werden.
Durch die erste kombinierte Analyse aller mit KARMEN beobachtbaren Neutrino-
kernreaktionen konnten diese erstmals modellunabhangig˜ und konsistent im Ener-
giebereich von Supernovae vermessen werden. Hierzu wurden erstmals die gesamten
KARMEN2-Daten(miteinerstarkunterdruc˜ ktenkosmischenUntergrundratedurch
denUpgrade)detailliertanalysiert.DabeiwurdeinsbesonderefurdasVerhaltnisder˜ ˜
Neutrino-Wirkungsquerschnitte von neutraler zu geladener Stromreaktion an C-12
eine bislang einzigartige experimentelle Prazision von 5% erreicht. Im Rahmen die-˜
ser Genauigkeit konnte z.B. die „-e-Universalit˜at der schwachen Wechselwirkung
veriflziert werden.
Aus den gemessenen Wirkungsquerschnitten, welche alle mit den theoretischen Er-
wartungenubereinstimmten,wurdendaruberhinausObergrenzenfurNeutrino-Oszil-˜ ˜ ˜
lationen abgeleitet. Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit weite Teile des LSND-
EvidenzbereichesfurOszillationenvonMyonanti-inElektronantineutrinosmit90%˜
CL ausgeschlossen werden, insbesondere fur˜ Massenquadratsdifierenzen oberhalb
2von 1eV . Auch die Oszillationssuchen Myon- in Elektronneutrinos, sowie Elektron-
neutrinos in sterile Neutrinos lieferten keinen Hinweis auf ein zusatzlic˜ hes steriles
schwereres Neutrino (LSND-Szenario).
Abschlie…end konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, da… neutronenin-
duzierter strahlkorrelierter Untergrund vom Beschleuniger mit hoher Wahrschein-
lichkeit die KARMEN-Zeitanomalie erklaren˜ kann.ABSTRACT
Over the period of time from 1990-2001, the KARMEN neutrino experiment at the
neutron-spallation-source ISIS was investigating neutrino-nucleus-interactions with
spectroscopic quality in the energy-regime of up to 53 MeV. Muon-anti-, electron-
and muon-neutrinos were produced in the pion- and muon-decay-chain at rest. In
connectionwiththeuniquetimestructureoftheISISacceleratorandthecharacter-
istic detection signatures, it was feasible to measure precisely neutral- and charged-
current-reactions on C-12, C-13 and Fe-56 with a signal to background ratio of up
to 100:1.
In the framework of this thesis, it was possible for the flrst time to derive the corre-
spondingcrosssectionsintheenergy-regimeofsupernovaebothmodel-independently
andconsistentlyfromtheflrstcombinedanalysisofallneutrino-nucleus-interactions,
which could be studied with KARMEN. For this, the entire KARMEN2 data, with
a strongly suppressed cosmic background rate due to the upgrade, was evaluated
for the flrst time. Hence, an unprecedented experimental precision for the ratio
of the measured neutrino cross sections for the neutral-current- and the exclusive
charged-current-reactiononC-12wasachieved. Withinthisaccuracy,itwasfeasible
to verify e.g. the „-e-universality of weak interaction.
Furthermore, upper limits on neutrino-oscillations were deduced from the measured
cross sections, which all met theoretical expectations. Thus, it was straightforward
possible to exclude at 90%CL large parts of the LSND favored evidence region for
the oscillation of muon-anti- to electron-anti-neutrinos, especially for squared-mass
2difierences above 1eV . The searches for oscillations of muon- to electron-neutrinos,
as well as electron-neutrinos to sterile neutrinos provided likewise no evidence for
an additional heavy sterile neutrino (LSND-scenario).
Last but not least, it was shown in the framework of this thesis that the KARMEN-
time-anomalycanbeexplainedwithahighprobabilityofoccurrencebyintermediate-
energy neutrons inducing beam correlated background from the accelerator.Zusammenfassung