German Title: Untergrund-, Sensitivitäts- und Richtungsrekonstruktionsstudien für das Double Chooz Experiment

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Abstract

The goal of the Double Chooz experiment is the measurement of the neutrino oscillation angle theta13. So far, only an upper limit for its magnitude is known. Two reactors of a nuclear power plant at the French Chooz village provide a source of electron antineutrinos, whose ux is measured with a near and far detector. While the far detector is sensitive to neutrino oscillation, the near detector minimizes different systematic errors. In spring 2011 the far detector will start collecting data, while the near detector will follow roughly 18 months later. For the sensitivity of the experiment it is crucial to minimize the systematic error. Therefore, knowledge on background events is important. In this thesis the different sources of background are characterized and the eciency of various rejection techniques is investigated. Furthermore, different options to determine the background rate from the experimental data are analyzed. The inuence of different background rates on the sensitivity of Double Chooz is calculated. Another central aspect of this thesis is the directional reconstruction of neutrino events. It is demonstrated that the direction of the two reactors can be resolved with neutrino events within the rst few months. This thesis designs a precise reconstruction of neutrino directions and thus provides an important benchmark for the applicability of future large scale scintillator experiments in both geo- and astrophysics.

Translation of abstract (German)

Das Double Chooz Experiment hat das Ziel den Neutrinomischungswinkel theta13 zu messen, von dem bis jetzt nur eine Obergrenze bekannt ist. Zwei Reaktoren eines Kernkraftwerks im französischen Chooz dienen als Quelle der Elektronantineutrinos, deren Fluss in einem nahen und fernen Detektor gemessen wird. Während der ferne Detektor sensitiv auf die Neutrinooszillation ist, minimiert der nahe Detektor verschiedene systematische Fehler. Im Frühjahr 2011 wird mit der Messung am fernen Detektor begonnen, der nahe Detektor wird etwa 18 Monate später folgen. Entscheidend für die Sensitivität des Experimentes ist ein möglichst kleiner systematischer Fehler, für den das Verständnis der Untergrundereignisse von groÿer Bedeutung ist. In dieser Doktorarbeit werden die vorkommenden Untergrundereignisse charakterisiert und verschiedene Methoden der Untergrundunterdrückung auf ihre Effektivität untersucht. Darüber hinaus werden unterschiedliche Möglichkeiten vorgestellt, die Untergrundrate aus den experimentellen Daten zu gewinnen. Diese Arbeit prüft außerdem die Auswirkung verschiedener Untergrundraten auf die Sensitivität des Experimentes. Ein weiteres zentrales Thema ist die Richtungsrekonstruktion von Neutrinoereignissen. Diese Arbeit zeigt, dass schon nach einigen Monaten die Lage der beiden Reaktoren mithilfe der Neutrinoereignisse bestimmt werden kann. Durch eine genaue Charakterisierung der Neutrino Richtungsrekonstruktion liefert diese Arbeit wichtige Erkenntnisse ihrer Anwendbarkeit auch für zukünftige groÿe Szintillatorexperimente bei geo- und astrophsikalischen Fragestellungen.