German Title: Auf der Suche nach kohärenter elastischer Neutrino Kern Streuung mit dem CONUS Experiment

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Abstract

The CONUS experiment is looking for coherent elastic neutrino nucleus scattering (CEνNS) at the 3.9 GWth nuclear power plant in Brokdorf, Germany, at a distance of 17 m to the reactor core. Four high-purity low threshold germanium spectrometers (in total 4 kg) are deployed within a massive shield. Detector properties and the electronics noise are characterized in detail. This includes the active volume, the stability of the energy scale, the time difference distribution of the events and a complete study of correlations to environmental parameters. Potential reactor-correlated backgrounds were examined by dedicated neutron and γ ray measurements outside of the shield. With the help of Monte Carlo (MC) simulations it was shown that the reactor neutron-induced background is neglible within the shield. For the CEνNS analysis, the MC was further expanded by including all non reactor-correlated background components, especially the muon-induced one, which is dominant at the shallow depth of the experiment. From an exposure of 248 kg*d reactor ON and 59 kg*d reactor OFF data the firrst upper limit for CEνNS with reactor antineutrinos is derived in a likelihood analysis. Quenching, the incomplete conversion of recoil energy to ionization energy registered by the detectors, is the dominant systematic uncertainty. From the evaluated upper limit and the Standard Model prediction of the expected number of counts, a wide range of the quenching parameters found in literature can be excluded. For the central value in literature of 0.16, the upper limit with 90% C.L. is only a factor of two away from the Standard Model expectation.

Translation of abstract (German)

Das CONUS Experiment sucht nach kohärenter elastischer Neutrino Kern Streuung (CEνNS) an dem 3.9 GWth Kernreaktor Brokdorf, Deutschland, in einem Abstand von 17 m zum Reaktorkern. Vier hoch-reine Geramnium Spektrometer (insgesamt 4 kg) mit niedriger Schwelle wurden in einer massiven Abschirmung platziert. Die Detektoreigenschaften und das elektronische Rauschverhalten wurden im Detail charakterisiert. Das beinhaltet das aktive Volumen, die Stabilität der Energieskala, die Verteilung der Zeitunterschiede zwischen den Ereignissen und ein vollständige Studie von Korrelationen zu Umgebungsparametern. Mögliche Reaktor korrelierte Untergründe wurden mit zielgerichteten Neutronen- und Gammastrahlungsmessungen außerhalb der Abschrimung untersucht. Mit Hilfe von Monte Carlo (MC) Simulationen wurde gezeigt, dass der Reaktor korrelierte neutroneninduzierte Untergrund innerhalb der Abschirmung vernachlässigbar ist. Für die CEνNS Analyse wurde die MC durch das Hinzunehmen der nicht Reaktor korrelierten Untergründe, insbesondere der myon-induzierten, die bei der niedrigen Überdeckung des Experiments dominieren, ausgeweitet. Aus einem Datensatz von 248 kg*d Reaktor AN und 59 kg*d Reaktor AUS Daten wurde die erste Obergrenze für CEνNS mit Reaktorantineutrinos in einer Likelihood Analyse abgeleitet. Quenching, die unvollständige Umwandlung von Rückstoßenergie in Ionisierungsenergie registriert von den Detektoren, ist die dominierende systematische Unsicherheit. Aus der ermittelten Obergrenze und der Vorhersage der erwarteten Anzahl an Ereignissen aus dem Standard Modell kann ein groÿer Bereich an Quenchingparametern aus der Literatur ausgeschlossen werden. Für den Zentralwert aus der Literatur von 0.16 ist die Obergrenze mit 90%C.L. nur einen Faktor zwei von der Standard Modell Erwartung entfernt.