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Optimization, simulation and analysis of the scintillation signals in the Double Chooz experiment

Aberle, Christoph

German Title: Optimierung, Simulation und Analyse der Szintillationssignale im Double Chooz Experiment

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Abstract

The reactor neutrino experiment Double Chooz searches for the last unknown neutrino mixing angle Theta13 which is connected to fundamental open questions in particle physics. A two-detector concept is employed to analyze disappearance of electron antineutrinos at a baseline of one kilometer. A gadolinium-loaded organic liquid scintillator is used as a neutrino target. The gadolinium-free Gamma Catcher scintillator surrounds the neutrino target to improve the detector efficiency and its error. The light yields of Target and Gamma Catcher have been optimized and matched with laboratory measurements, an energy transfer model and Monte Carlo simulations. An analysis of detector data demonstrates that the light yield matching was successful at the one percent level. Optical stability for the first 3.5 months of far detector data taking is shown. The energy reconstruction was improved by laboratory measurements and Monte Carlo tuning of the ionization quenching effect for electrons and alpha particles. In addition, simulations of the position dependent detector light collection efficiency led to an inhomogeneity correction method. The detector response timing was studied for alphas and electrons and the scintillator photon emission times were actively tuned to enhance pulse shape discrimination capabilities.

Translation of abstract (German)

Das Reaktorneutrinoexperiment Double Chooz sucht nach dem letzten unbekannten Neutrinomischungswinkel Theta13, der mit fundamentalen offenen Fragen der Teilchenphysik verbunden ist. Ein Konzept mit zwei Detektoren wird eingesetzt, um ein mögliches Defizit an Elektron-Antineutrinos im Abstand von einem Kilometer zur Quelle zu messen. Ein Gadolinium-beladener organischer Flüssigszintillator dient als Neutrino-Target. Der Gadolinium-freie Gamma Catcher Szintillator umgibt das Neutrino-Target, um die Detektoreffizienz und deren Fehler zu verbessern. Die Lichtausbeuten von Target und Gamma Catcher wurden optimiert und angeglichen mithilfe von Labormessungen, einem Energietransfermodell und Monte Carlo Simulationen. Eine Analyse von Detektordaten zeigt, dass das Angleichen der Lichtausbeute erfolgreich war mit einer Genauigkeit von einem Prozent. Die optische Stabilität für die ersten 3.5 Monate konnte mit Daten des fernen Detektors gezeigt werden. Die Energieauflösung wurde verbessert, indem Labormessungen und eine Anpassung der Monte Carlo Simulation des Ionisationsquenchingeffekts für Elektronen und Alphateilchen durchgeführt wurden. Zusätzlich führten Simulationen der positionsabhängigen Effizienz der Lichtsammlung im Detektor zu einer Methode, um Inhomogenitäten zu korrigieren. Das Zeitverhalten der Detektorantwort wurde für Elektronen und Alphateilchen untersucht und die Zeitverteilung der Szintillatoremission wurde aktiv verändert, um Pulsformanalysemöglichkeiten zu verbessern.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lindner, Prof.Dr. Manfred
Date of thesis defense: 1. December 2011
Date Deposited: 12. Dec 2011 13:31
Date: 2011
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Szintillator, Quenching, Lichtausbeute, Zeitkonstante, Monte-Carlo-Simulation, Neutrino, Neutrinooszillation, Ionisation, Ionisationsdichte
Uncontrolled Keywords: Double Chooz , IonisationsquenchingDouble Chooz , neutrino , neutrino oscillation , liquid scintillator , light yield , ionization quenching , time constant , Monte Carlo simulation
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