Low-energy solar neutrino spectroscopy with Borexino [Elektronische Ressource] : towards the detection of the solar pep and CNO neutrino flux / put forward by Werner Maneschg

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• Astronomie

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 22
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Dipl.-Phys. Werner Maneschg
Born in: Brunico, Italy
Oral examination: May 11, 2011Low-energy solar neutrino spectroscopy with Borexino:
Towards the detection of the
solar pep and CNO neutrino ux
Referees:
Prof. Dr. Wolfgang Hampel
Prof. Dr. W Kr atschmerLow-energy solar neutrino spectroscopy with Borexino:
Towards the detection of the solar pep and CNO neutrino ux
Borexino is a large-volume organic liquid scintillator detector of unprecedented high radiopurity
which has been designed for low-energy neutrino spectroscopy in real time. Besides the main ob-
7jective of the experiment, the measurement of the solar Be neutrino ux, Borexino also aims at
detecting solar neutrinos from the pep fusion process and from the CNO cycle. The detectability
of these neutrinos is strictly connected to a successful rejection of all relevant background compo-
nents. The identi cation and reduction of these background signals is the central subject of this
dissertation. In the rst part, contaminants induced by cosmic-ray muons and muon showers were
11analyzed. The dominant background is the cosmogenic radioisotope C. Its rate is10 times
higher than the expected combined pep and CNO neutrino rate in the preferred energy window of
11 11observation at [0.8,1.3] MeV. Since C is mostly produced under the release of a free neutron, C
can be tagged with a threefold coincidence (TFC) consisting of the muon signal, the neutron cap-
11ture and the subsequent C decay. By optimizing the TFC method and other rejection techniques,
11a C rejection e ciency of 80% was achieved. This led to a neutrino-to-background ratio of 1:1.7,
whereby 61% of statistics is lost. The second part of the work concerns the study of the external
208background. Especially long-range 2.6 MeV gamma rays from Tl decays in the outer detector
parts can reach the scintillator in the innermost region of the detector. For the determination of
228the resultant spectral shape, a custom-made5 MBq Th source was produced and an external
11calibration was carried out for the rst time. The obtained calibration data and the achieved C
rejection e ciency will allow for the direct detection of solar pep and possibly also CNO neutrinos
with Borexino.
Spektroskopie niederenergetischer Sonnenneutrinos in Borexino:
Analysen zum Nachweis des solaren pep- und CNO-Neutrino usses
Borexino ist ein gro volumiger Detektor, der mit organischem Flussigszin tillator von einer bisher
noch nie erreichten geringen Eigenradioaktivit at gefullt ist und fur die Echtzeitspektroskopie
niederenergetischer Neutrinos konzipiert wurde. Neben dem Hauptziel des Experiments, der Mes-
7sung des solaren Be Neutrino usses, wird auch der Nachweis von Sonnenneutrinos aus dem pep-
Fusionsprozess und dem CNO-Zyklus angestrebt. Die Nachweisbarkeit dieser Neutrinos h angt von
der erfolgreichen Unterdruc kung aller relevanten Untergrundkomponenten ab. Die Identi zierung
und Reduktion verschiedener Untergrundsignale ist das Hauptthema dieser Dissertation. Im er-
sten Teil der Arbeit werden myon-induzierte Untergrund e analysiert. Der dominierende Unter-
11grund ist das kosmogene Radioisotop C, dessen Rate10 mal h oher ist als die erwartete pep-
11und CNO-Neutrinorate im bevorzugten Beobachtungsfenster von [0.8,1.3] MeV. Da C meistens
11unter Emission eines Neutrons entsteht, kann C ub er eine Dreifachkoinzidenz (DFK), bestehend
11aus dem Myon-Signal, dem Neutroneinfang und dem C-Zerfall identi ziert werden. Die DFK-
11Methode und weitere Techniken zur Unterdruc kung von C wurden optimiert, dadurch wurde
11eine C-Unterdruc kungse zienz von 80% und ein Neutrino-zu-Untergrund-Verh altnis von 1:1.7
erreicht. Dabei geht 61% der Statistik verloren. Der zweite Teil der Arbeit besch aftigt sich mit
der Untersuchung des externen Untergrundes. Vorwiegend langreichweitige 2.6 MeV Photonen, die
208durch Tl Zerf alle in den au eren Detektorkomponenten emittiert werden, k onnen den Szintilla-
tor im inneren Bereich des Detektors erreichen. Um die spektrale Form des externen Untergrundes
228zu bestimmen, wurde eine5 MBq Th-Quelle eigens angefertigt und damit erstmals eine ex-
terne Kalibration durchgefuhrt. Die gewonnenen Kalibrationsdaten werden zusammen mit den
11optimierten C-Unterdruc kungsmethoden den direkten Nachweis solarer pep- und wom oglich auch
CNO-Neutrinos in Borexino erm oglichen.vi CONTENTS
Contents
1 Introduction 1
2 Neutrinos and solar physics 3
2.1 Neutrinos: a door to physics beyond the Standard Model . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 Neutrino oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2 Open questions in the neutrino sector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Own analysis: potential of near-future neutrino mass experiments . . . . . . 9
2.2 Solar physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 The Standard Solar Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2 Solar fusion reactions and solar neutrinos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 Helioseismology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3 Borexino: physics goals and rst results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 Challenge for the pep and CNO neutrino analysis with Borexino . . . . . . . . . . . 23
3 The Borexino experiment 27
3.1 Description of the detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.1 Conceptual design of the Borexino detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.1.2 Detection principle and optical properties of the scintillator . . . . . . . . . . 30
3.1.3 Signal processing and event generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Data analysis tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.1 Data reconstruction codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.2 Simulation tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3 Achieved background levels in Borexino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Detector stability and operations on the detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.1 Operations on the scintillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.2 Duty cycle calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4 Analysis of muon-induced backgrounds 44CONTENTS vii
4.1 Prompt muon signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1.2 Muon detection and muon rate estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.3 Muon track reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.4 Analysis of the radial distribution of cosmic-ray muons . . . . . . . . . . . . . 53
4.1.5 Analysis of the angular distribution of cosmic-ray muons . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.2 Detection of muon-induced neutrons in Borexino . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2.3 Analysis of the reconstructed energy of muon-induced neutron clusters . . . . 60
4.2.4 Neutron rate and neutron multiplicities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.5 Position reconstruction and lateral distribution of neutrons . . . . . . . . . . 67
4.2.6 Propagation of neutrons in the Borexino scintillator . . . . . . . . . . . . . . 70
241 94.2.7 Analysis: Propagation of neutrons from an Am Be source . . . . . . . . . 74
4.2.8 Analysis: of muon-induced neutrons . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.3 Cosmic-ray induced radioisotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3.1 Production ofes through cosmic-ray muons and showers . . . . . 86
114.3.2 The threefold coincidence method and classi cation of C coincidences . . . 88
114.3.3 Procedure for the rate estimation of C decays via the TFC method . . . . . 90
114.3.4 Determination and analysis of pure C data sets . . . . . . . . . . . . . . . . 93
114.3.5 C rejection techniques and optimization strategies . . . . . . . . . . . . . . 98
114.3.6 Applying the C subtraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
114.3.7 Other background components besides C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5 Analysis of the external background 113
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.1 Origin of the external background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.1.2 Motivation for an external calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1.3 The external calibration system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.2 Production and characterisation of an external source . . . . . . . . . . . . . . . . 118viii CONTENTS
5.2.1 Requirements to the source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
2285.2.2 Production of a custom-made 5.4 MBq Th sou