Simulation and Measurement of Optical Background in the Deep Sea Using a Multi-PMT Optical Module

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2017-10-30
Issue Year
2017
Authors
Herold, Björn
Editor
Abstract

Neutrino telescopes are particle detectors for neutrinos of extraterrestrial origin. Possible sources are supernova remnants, active galactic nuclei or the GZK cutoff. Whenever a neutrino interacts within or close to the detector, a charged lepton is created, which travels along the neutrino's original direction at close to the speed of light. Along its path it emits Cherenkov light, which is registered in the photomultiplier tubes of the optical modules. Due to the small interaction cross section huge detectors are needed. KM3NeT is the next generation neutrino telescope in the Mediterranean Sea, currently under construction and aiming for an instrumented volume of several cubic kilometres. A new type of optical module has been developed, which houses 31 small tubes instead of a single larger one. Two advantages of this concept are a larger sensitive surface area and better background suppression. Optical background in the deep sea is created by bioluminescence and by radioactive decays from sea salt. Potassium-40 decays dominate the latter. Its properties and activity are well known, making it a viable benchmark. In order to predict the properties of the new module, it was recreated in a detailed computer simulation. The hit rates and patterns induced by Potassium-40 were determined by simulating radioactive decays in water. The quality of this prognosis was verified by real world data from the first pre-production module. Based on that, some possible applications of the multi-PMT concept were tested.

Abstract

Neutrinoteleskope sind Teilchendetektoren, die Neutrinos außerirdischen Ursprungs messen sollen. Mögliche Quellen sind u.a. Supernovaüberreste, aktive galaktische Kerne, oder der GZK-Effekt. Reagiert ein Neutrino im Detektor oder in seiner Nähe, entsteht ein geladenes Lepton, das mit nahezu Lichtgeschwindigkeit weiterfliegt. Dabei entsteht Cherenkovlicht, welches von den Photomultipliern in den optischen Modulen registriert wird. Aufgrund des kleinen Wirkungsquerschnitts sind extrem große Detektoren nötig. KM3NeT ist ein im Aufbau befindliches Neutrinoteleskop, das am Ende mehrere km³ instrumentiertes Volumen besitzen wird. Es wird ein neuartiger Modultyp einsetzt, der - statt eines großen PMT - nun 31 kleine beherbergt. Dies hat u.a. den Vorteil einer größeren sensitiven Fläche und erlaubt eine bessere Untergrundunterdrückung. In der Tiefsee entsteht optischer Untergrund durch Biolumineszenz und radioaktive Zerfälle. Bei letzteren dominiert der Betazerfall von Kalium-40, dessen Aktivität bekannt und konstant ist. Dadurch eignet er sich als Referenz. Um die Eigenschaften des neuen Modultyps vorherzusagen, wurde dieser in einer Computersimulation detailliert reproduziert. Mit simulierten K40-Zerfällen konnten die zu erwartenden Trefferraten und -muster ermittelt werden. Die Qualität der Simulationsergebnisse wurde mit den ersten Daten des ab April 2013 betriebenen Vorserienmoduls verifiziert. Darauf aufbauend erfolgten weitere Analysen, um neue Anwendungsmöglichkeiten des Multi-PMT-Moduls zu testen.

DOI
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