German Title: Erforschung von Neutrinophysik innerhalb und jenseits des Standardmodells anhand von CONUS-Experimentaldaten

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Abstract

The observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) opens up new possibilities for the standard model (SM) neutrino sector and beyond. As a leading reactor experiment, CONUS aims for its detection in the coherent interaction regime with antineutrinos emitted from the 3.9 GW_(th) reactor core of the Brokdorf nuclear power plant. The experiment makes use of four high-purity germanium detectors within a compact shield at 17 m distance. In this thesis spectral investigations of CEvNS and further neutrino interactions beyond the standard model (BSM) are performed, which are based on data collected between April 2018 and June 2019. The analysis scheme relies on signal predictions incorporating the evolution of the reactor's fuel composition and of its thermal power. The spectral analysis constrains CEvNS to contribute with <=85 events (90 C.L.) assuming the favored quenching parameter k=0.16, which is a factor of ~10 above its SM prediction. BSM investigations of CEvNS and elastic neutrino-electron scattering (EveS) yield competitive bounds for non-standard interactions (NSIs) and simplified mediator models. The energy scales of vector and tensor NSIs are individually constrained to lie above 100 GeV and 360 GeV. Universal couplings of simplified mediators can be probed down to ~10^(-5) and ~10^(-6) for CEvNS and EveS, respectively. Finally, 90 C.L. limits on the neutrino's effective magnetic moment ($\mu_{\nu_{e}}$ < 7.5 * 10^(-11) $\mu_{B}$) and millicharge ($|q_{\nu_{e}}|$ < 3.3 * 10^(-12) e) are determined.

Translation of abstract (German)

Die Beobachtung von kohärenter elastischer Neutrino-Kern-Streuung (CEvNS) eröffnet neue Möglichkeiten für den Neutrinosektor des Standardmodells (SM) und darüber hinaus. Als ein führendes Reaktorexperiment strebt CONUS einen Nachweis im kohärenten Wechselwirkungsbereich mit Antineutrinos an, die vom 3,9 GW_(th)-Reaktorkern des Kernkraftwerks Brokdorf emittiert werden. Das Experiment nutzt vier hochreine Germaniumdetektoren innerhalb einer kompakten Abschirmung in 17 m Entfernung. In dieser Arbeit werden spektrale Analysen von CEvNS und weiteren Neutrino-Wechselwirkungen jenseits des Standardmodells (BSM) durchgeführt, welche auf Daten basieren, die zwischen April 2018 und Juni 2019 gesammelt wurden. Das Analyseschema stützt sich auf Signalvorhersagen, welche die Entwicklung der Brennstoffzusammensetzung des Reaktors und seiner thermischen Leistung berücksichtigen. Unter Annahme des bevorzugten Quenching-Parameters k=0,16, erlaubt die spektrale SM-Analyse ein Limit von <=85 CEvNS-Signalen (90 C.L.) zu bestimmen, welches sich einen Faktor ~10 über der SM-Vorhersage befindet. BSM-Untersuchungen von CEvNS und elastischer Neutrino-Elektron-Streuung (EveS) ergeben kompetitive Grenzen für Nicht-Standard-Wechselwirkungen des Neutrinos (NSIs) und vereinfachte Modelle neuer Austauschteilchen. Die Energieskalen von vektoriellen und tensoriellen NSIs werden jeweils auf Werte oberhalb von 100 GeV und 360 GeV beschränkt. Universelle Kopplungen vereinfachter Austauschteilchen können bis auf ~10^(-5) und ~10^(-6) für CEvNS bzw. EveS erprobt werden. Schließlich werden 90 C.L.-Grenzwerte für das effektive magnetische Moment ($\mu_{\nu_{e}}$ < 7,5 * 10^(-11) $\mu_{B}$) und für die Milliladung ($|q_{\nu_{e}}|$ < 3,3 * 10^{-12} e) des Neutrinos bestimmt.