Measuring the neutrino mass hierarchy with the future KM3NeT/ORCA detector

Messung der Neutrinomassenhierarchie mit dem zukünftigen KM3NeT/ORCA-Detektor

  • The neutrino mass hierarchy can be determined by measuring the energy- and zenith-angle-dependent oscillation pattern of few-GeV atmospheric neutrinos that have traversed the Earth. This measurement is the main science goal of KM3NeT/ORCA (`Oscillation Research with Cosmics in the Abyss'), a planned multi-megaton underwater Cherenkov detector in the Mediterranean Sea. A key task is the reconstruction of shower-like events induced by electron neutrinos in charged-current interactions, which substantially affect the neutrino mass hierarchy sensitivity. In this thesis, numerous aspects of the expected neutrino detection performance of the planned ORCA detector are investigated. A new reconstThe neutrino mass hierarchy can be determined by measuring the energy- and zenith-angle-dependent oscillation pattern of few-GeV atmospheric neutrinos that have traversed the Earth. This measurement is the main science goal of KM3NeT/ORCA (`Oscillation Research with Cosmics in the Abyss'), a planned multi-megaton underwater Cherenkov detector in the Mediterranean Sea. A key task is the reconstruction of shower-like events induced by electron neutrinos in charged-current interactions, which substantially affect the neutrino mass hierarchy sensitivity. In this thesis, numerous aspects of the expected neutrino detection performance of the planned ORCA detector are investigated. A new reconstruction algorithm for neutrino-induced shower-like events is developed. The achieved resolutions are close to the reconstruction accuracy limits imposed by intrinsic fluctuations in the Cherenkov light signatures. These intrinsic resolution limits are derived as part of this thesis. Differences in event reconstruction capabilities between water- and ice-based Cherenkov detectors are discussed. The configuration of existing trigger algorithms is optimised for the ORCA detector. Based on the developed shower reconstruction, a detector optimisation study of the photosensor density is performed. In addition, it is shown that optical background noise in the deep Mediterranean Sea is not expected to compromise the feasibility of the neutrino mass hierarchy measurement with ORCA. Together, these investigations contribute significantly to the estimated neutrino mass hierarchy sensitivity of ORCA published in the 'Letter of Intent' for KM3NeT, illustrate why a new optimised detector geometry is proposed, and give pointers as to how to improve the neutrino detection performance and consequently the neutrino mass hierarchy sensitivity of ORCA. show moreshow less
  • Die Neutrinomassenhierachie lässt sich durch die Vermessung der energie- und zenitwinkelabhängigen Oszillationswahrscheinlichkeiten von atmosphärischen Neutrinos im Energiebereich von einigen GeV aufklären. Diese Messung ist das Hauptziel von KM3NeT/ORCA, einem zukünftigen, mehrere Megatonnen instrumentierenden Wasser-Tscherenkow-Detektor im Mittelmeer. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Rekonstruktion schauerartiger Ereignisse von Elektron-Neutrinos in Geladenen-Strom-Wechselwirkungen, welche die Sensitivität auf die Neutrinomassenhierachie maßgeblich beeinflussen. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der zu erwartenden Leistungsfähigkeit des geplanten ORCA-Detektors untersucDie Neutrinomassenhierachie lässt sich durch die Vermessung der energie- und zenitwinkelabhängigen Oszillationswahrscheinlichkeiten von atmosphärischen Neutrinos im Energiebereich von einigen GeV aufklären. Diese Messung ist das Hauptziel von KM3NeT/ORCA, einem zukünftigen, mehrere Megatonnen instrumentierenden Wasser-Tscherenkow-Detektor im Mittelmeer. Eine zentrale Rolle spielt hierbei die Rekonstruktion schauerartiger Ereignisse von Elektron-Neutrinos in Geladenen-Strom-Wechselwirkungen, welche die Sensitivität auf die Neutrinomassenhierachie maßgeblich beeinflussen. In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte der zu erwartenden Leistungsfähigkeit des geplanten ORCA-Detektors untersucht. Es wird ein neuer Rekonstruktionsalgorithmus für schauerartige Neutrinoereignisse entwickelt. Die erreichten Auflösungen sind nahe an dem bestmöglichen Auflösungsvermögen, welches durch intrinsische Fluktuationen in den Tscherenkow-Licht-Signaturen limitiert ist. Dieses intrinsiche Auflösungsvermögen wird als Teil dieser Arbeit abgeleitet. Unterschiede in der Fähigkeit zur Ereignisrekonstruktion mit wasser- und eisbasierten Tscherenkow-Detektoren werden diskutiert. Die Konfiguration von existierenden Triggeralgorithmen wird für den ORCA-Detektor optimiert. Basierend auf der entwickelten Schauerrekonstruktion wird eine Detektoroptimierung hinsichtlich der Photosensordichte durchgeführt. Zusätzlich wird gezeigt, dass der optischen Untergrund in der Tiefsee des Mittelmeeres die Machbarkeit der Messung der Neutrinomassenhierachie mit ORCA nicht signifikant beeinträchtigt. Diese Untersuchungen stellen einen wesentlichen Beitrag zur Bestimmung der Sensitivität auf die Neutrinomassenhierachie von ORCA im 'Letter of Intent' für KM3NeT dar. Sie verdeutlichen, warum eine neue, optimierte Detektorgeometrie vorgeschlagen wird und geben Hinweise, wie die Leistungsfähigkeit des ORCA-Detektors verbessert und folglich die Sensitivität auf die Neutrinomassenhierachie gesteigert werden kann.show moreshow less

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Metadaten
Author:Jannik Hofestädt
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-82770
Advisor:Gisela Anton
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/03/06
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2017/02/22
Release Date:2017/03/13
Tag:KM3NeT; ORCA; neutrino mass hierarchy; neutrino oscillation; water Cherenkov detector
SWD-Keyword:Machbarkeitsstudie; Neutrinodetektor; Neutrinonachweis; Neutrinooszillation
Pagenumber:239
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Physik
Dewey Decimal Classification:Naturwissenschaften und Mathematik / Physik / Moderne Physik
PACS-Classification:10.00.00 THE PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS (for experimental methods and instrumentation for elementary-particle physics, see section 29) / 13.00.00 Specific reactions and phenomenology / 13.15.+g Neutrino interactions
10.00.00 THE PHYSICS OF ELEMENTARY PARTICLES AND FIELDS (for experimental methods and instrumentation for elementary-particle physics, see section 29) / 14.00.00 Properties of specific particles / 14.60.-z Leptons / 14.60.Pq Neutrino mass and mixing (see also 12.15.Ff Quark and lepton masses and mixing)
20.00.00 NUCLEAR PHYSICS / 29.00.00 Experimental methods and instrumentation for elementary-particle and nuclear physics / 29.40.-n Radiation detectors (for mass spectrometers, see 07.75.+h; see also 95.55.Vj Neutrino, muon, pion, and other particle detectors; cosmic ray detectors in astronomy) / 29.40.Ka Cherenkov detectors
90.00.00 GEOPHYSICS, ASTRONOMY, AND ASTROPHYSICS (for more detailed headings, see the Geophysics Appendix) / 95.00.00 Fundamental astronomy and astrophysics; instrumentation, techniques, and astronomical observations / 95.55.-n Astronomical and space-research instrumentation (see also 94.80.+g Instrumentation for space plasma physics, ionosphere, and magnetosphere) / 95.55.Vj Neutrino, muon, pion, and other elementary particle detectors; cosmic ray detectors (see also 29.40.-n Radiation detectors-in Nuclear physics)
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-NichtKommerziell

$Rev: 13581 $