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Low-energy solar neutrino spectroscopy with Borexino : Towards the detection of the solar pep and CNO neutrino flux

Maneschg, Werner

German Title: Spektroskopie niederenergetischer Sonnenneutrinos mit Borexino : Analysen zum Nachweis des solaren pep- und CNO-Neutrinoflusses

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Abstract

Borexino ist ein großvolumiger Detektor, der mit organischem Flüssigszintillator von einer bisher noch nie erreichten geringen Eigenradioaktivität gefüllt ist und für die Echtzeitspektroskopie niederenergetischer Neutrinos konzipiert wurde. Neben dem Hauptziel des Experiments, der Messung des solaren 7Be Neutrinoflusses, wird auch der Nachweis von Sonnenneutrinos aus dem pep-Fusionsprozess und dem CNO-Zyklus angestrebt. Die Nachweisbarkeit dieser Neutrinos hängt von der erfolgreichen Unterdrückung aller relevanten Untergrundkomponenten ab. Die Identifizierung und Reduktion verschiedener Untergrundsignale ist das Hauptthema dieser Dissertation. Im ersten Teil der Arbeit werden myon-induzierte Untergründe analysiert. Der dominierende Untergrund ist das kosmogene Radioisotop 11C, dessen Rate ~10 mal höher ist als die erwartete pep- und CNO-Neutrinorate im bevorzugten Beobachtungsfenster von [0.8,1.3] MeV. Da 11C meistens unter Emission eines Neutrons entsteht, kann 11C über eine Dreifachkoinzidenz (DFK), bestehend aus dem Myon-Signal, dem Neutroneinfang und dem 11C-Zerfall identifiziert werden. Die DFK-Methode und weitere Techniken zur Unterdrückung von 11C wurden optimiert, dadurch wurde eine 11C-Unterdrückungseffizienz von 80% und ein Neutrino-zu-Untergrund-Verhältnis von 1:1.7 erreicht. Dabei geht 61% der Statistik verloren. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung des externen Untergrundes. Vorwiegend langreichweitige 2.6 MeV Photonen, die durch 208Tl Zerfälle in den äußeren Detektorkomponenten emittiert werden, können den Szintillator im inneren Bereich des Detektor erreichen. Um die spektrale Form des externen Untergrundes zu bestimmen, wurde eine ~5 MBq 228Th-Quelle eigens angefertigt und damit erstmals eine externe Kalibration durchgeführt. Die gewonnenen Kalibrationsdaten werden zusammen mit den optimierten 11C-Unterdrückungsmethoden den direkten Nachweis solarer pep- und womöglich auch CNO-Neutrinos in Borexino ermöglichen.

Translation of abstract (English)

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 objective of the experiment, the measurement of the solar 7Be neutrino flux, 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 components. The identification and reduction of these background signals is the central subject of this dissertation. In the first part, contaminants induced by cosmic-ray muons and muon showers were analyzed. The dominant background is the cosmogenic radioisotope 11C. Its rate is ~10 times higher than the expected combined pep and CNO neutrino rate in the preferred energy window of observation at [0.8,1.3] MeV. Since 11C is mostly produced under the release of a free neutron, 11C can be tagged with a threefold coincidence (TFC) consisting of the muon signal, the neutron capture and the subsequent 11C decay. By optimizing the TFC method and other rejection techniques, a 11C rejection efficiency 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 background. Especially long-range 2.6 MeV gamma rays from 208Tl decays in the outer detector parts can reach the scintillator in the innermost region of the detector. For the determination of the resultant spectral shape, a custom-made ~5 MBq 228Th source was produced and an external calibration was carried out for the first time. The obtained calibration data and the achieved 11C rejection efficiency will allow for the direct detection of solar pep and possibly also CNO neutrinos with Borexino.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Hampel, Prof. Dr. Wolfgang
Date of thesis defense: 11. May 2011
Date Deposited: 24. May 2011 12:18
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Uncontrolled Keywords: Sonnenneutrino-Spektroskopie , organischer Flüssigszintillator , externe Kalibration , myoninduzierte Radioisotopesolar neutrino spectroscopy , organic liquid scintillator , external calibration , muon-induced radioisotopes
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