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Neutron Detection Uncertainties in the θ₁₃ Analysis of the Double Chooz Experiment

Haser, Julia Anna

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Abstract

The reactor antineutrino experiment Double Chooz aims to provide a precise measurement of the neutrino mixing angle θ₁₃. In the analysis with one detector, accuracy in the predicted neutrino spectrum from simulation is a necessity with regard to normalization and energy shape. The detection efficiency of neutron events, which are part of the coincidence signal created by neutrinos, introduce the largest uncertainty contribution of the normalization of the experiment related to the signal detection. In order to accomplish a matching of the efficiencies observed in data and simulation, a correction of the Monte Carlo normalization and an associated systematic uncertainty are inputs in the θ₁₃ analysis. Calibration source deployments in the inner two detector volumes allow for a measurement of the neutron detection efficiency using ²⁵²Cf fission neutrons. New methods enable to compute the correction integrated over the whole volume and the corresponding uncertainty of the selection cut related efficiency. With these revised approaches a factor two improvement in the detection efficiency uncertainty was achieved. The correction of the neutron capture fraction – the capture fraction quantifies the proportion of captures on a particular element – is evaluated and tested for its robustness. Furthermore, a crosscheck of this quantity is discussed using neutrons produced by cosmic muon spallation. Finally, the uncertainty on border effects, emerging from neutron migration at the fiducial volume boundaries, is estimated by means of different Monte Carlo configurations with varying parameters and neutron physics modelings.

Translation of abstract (German)

Das Reaktorneutrinoexperiment Double Chooz hat eine präzise Messung des Neutrinomischungswinkels θ₁₃ zum Ziel. Die absolute Genauigkeit der Normalisierung und der Form des vorhergesagten Neutrinospektrums bilden die Voraussetzung einer Analyse mit einem einzelnen Detektor. Der größte Beitrag zur Detektionsunsicherheit der Normalisierung des Experiments wird dabei durch die Nachweiseffizienz der Neutronenereignisse verursacht. Letztere sind Teil des durch Antineutrinos erzeugten Koinzidenzsignals. Eine Korrektur der Monte Carlo Normalisierung sowie eine dazugehörige Unsicherheit gewährleisten in der θ₁₃ Analyse die Übereinstimmung der Nachweiseffizienz in Daten und Simulation. Kalibrationsmessungen in den inneren zwei Detektorvolumina ermöglichen die Effizienzbestimmung durch ²⁵²Cf Spaltneutronen. Neue Verfahren erlauben es die Korrektur der Selektionseffizienz sowie deren Unsicherheit über das gesamte Volumen integriert zu berechnen. Mit diesen verbesserten Methoden gelang es die Unsicherheit der Detektionseffizienz um einen Faktor zwei zu verringern. Welcher Anteil von Neutronen auf einem bestimmten Element eingefangen wird, wird durch das Neutroneneinfangsverhältnis ausgedrückt. Eine Korrektur dieser Größe wurde ermittelt und auf Stabilität uberprüft. Ferner wird die Messung der Korrektur durch kosmische Myonen erzeugte Spallationsneutronen diskutiert. Darüber hinaus wurde die Unsicherheit der durch Neutronenmigration erzeugten Randeffekte abgeschätzt. Dies wurde durch die Verwendung unterschiedlicher Monte Carlo Konfigurationen mit variierten Parametern und Modellierungen der Neutronenphysik realisiert.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Lindner, Prof. Dr. Manfred
Date of thesis defense: 4 February 2015
Date Deposited: 11 Mar 2015 13:24
Date: 2015
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: neutrino, neutrino oscillation, theta13, mixing angle, efficiency, californium, neutron capture
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