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Energy non-linearity studies and pulse shape analysis of liquid scintillator signals in the Double Chooz experiment

Wagner, Stefan

German Title: Nichtlinearitätsstudien und Pulsformanalyse von Flüssigszintillatorsignalen im Double Chooz Experiment

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Download (6MB) | Lizenz: Creative Commons LizenzvertragEnergy non-linearity studies and pulse shape analysis of liquid scintillator signals in the Double Chooz experiment by Wagner, Stefan underlies the terms of Creative Commons Attribution-NotCommercial 3.0 Deutschland

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Abstract

The Double Chooz reactor neutrino experiment measures the neutrino mixing angle Theta13 with a liquid scintillation detector. It uses the electron antineutrino flux as well as their energy spectrum in the analysis of Theta13, which requires a detailed knowledge of the energy scale. In particular the non-linear scintillator response caused by ionization quenching and Cerenkov light has to be accurately reproduced in the Monte Carlo. To this end the relevant properties of the liquid scintillators are investigated experimentally and theoretically. For the data analysis the pulse shape of the scintillator emission is exploited for particle identification. A novel classifier is presented which characterizes the pulse shape in Fourier space. It allows to distinguish between the detector volumes as well as to reduce the stopping muon background. A more advanced version of this technique is then investigated for pulse shape discrimination between positron and electron events. It has a high efficiency for electron antineutrinos and can be used to reject remaining background in the Double Chooz analysis. The method thus increases the signal-to-background ratio, which may be a tremendous advantage for analyses with neutron captures on Hydrogen.

Translation of abstract (German)

Das Double Chooz Reaktorneutrinoexperiment misst den Mischungswinkel θ13 mit Hilfe ̄e eines Flüssigszintillationsdetektors. In der Theta13-Analyse werden sowohl der Fluss der Elektron-Antineutrinos als auch deren Energieverteilung verwendet, was eine genaue Kenntnis der Energieskala erfordert. Insbesondere muss die durch Fluoreszenzlöschung und Cerenkov-Effekt nichtlineare Szintillatorantwort in der Simulation genau reproduziert werden. Zu diesem Zweck werden die zintillatoreigenschaften experimentell und theoretisch untersucht. In der Datenanalyse werden die Pulsformen der Szintillationssignale zur Teilchenidentifikation verwendet. Ein neuartiger Klassifikator wird vorgestellt, der die Pulsform im Fourier-Raum beschreibt. Er kann zwischen den Detektorvolumina unterscheiden, sowie den Beitrag von stoppenden Myonen reduzieren. Eine weiterentwickelte Version zur Unterscheidung von Positronen und Elektronen anhand ihrer Pulsformen wird untersucht. Sie kann verwendet werden um einen Teil des verbleibenden Untergrunds zu entfernen, während Elektron-Antineutrino-Ereignisse kaum betroffen sind. So wird das Signal-zu-Untergrund-Verhältnis verbessert, was einen bedeutenden Vorteil für Analysen mit Neutroneneinfang auf Wasserstoff darstellt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lindner, Prof. Dr. Manfred
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 2 July 2014
Date Deposited: 22 Jul 2014 06:56
Date: 2014
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Neutrinooszillation, Flüssigszintillator, Nichtlinearität, Monte-Carlo-Simulation, Cluster-Analyse, Datenanalyse
Uncontrolled Keywords: Double Chooz, Neutrinophysik, Pulsformanalyse, Teilchenidentifikation
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