Performance and Improvements of the Double Chooz Inner Muon Vetos

Abstract

Double Chooz is a reactor neutrino experiment, which aims to measure the neutrino mixing angle θ13 with high precision. Therefore a good knowledge of all background processes is mandatory. For this purpose the Double Chooz detectors are equipped with an active liquid scintillator based muon veto system, the Inner Veto. This veto was designed and installed by the University of Tübingen. This thesis will begin with a short introduction to the physical aspects of the neutrino oscillations. In the following chapter several reactor neutrino experiments will be presented with the focus on the Double Chooz experiment. Results of Monte Carlo simulation testing possible improvements for the near detector will be shown as well. The charge spectrum of the Inner Veto of the far detector will be compared to Monte Carlo simulations. The total event rate will be determine and be contrasted with the estimation of dark noise of the used PMTs and radioactive impurities. The azimuth and polar angle distributions of muons reconstructed by two individual algorithms will be compared to Monte Carlo simulation. The time distribution of muon classified events before neutrino candidates will be analysed and a new veto time window after muons presented. The time stability of scintillators in the far detector will be investigate and possible influences to it tested. At the end the reactor neutrino experiment JUNO will be presented and the results of a performed Monte Carlo simulation shown in which the dimensions of the JUNO-water shielding was varied to minimise the amount of muon induced neutron captures in the target region.

Das Neutrinoexperiment Double Chooz hat das Ziel den Neutrinomischungswinkel θ13 mit hoher Präzision zu vermessen. Dazu ist eine genaue Kenntnis des Untergrundes notwendig, insbesondere des durch kosmische Myonen erzeugten. Zu diesem Zweck besitzen die Double Chooz-Detektoren ein aktives Myonenveto, gefüllt mit Flüssigszintillator und instrumentiert mit 78~PMTs. Dieses Veto wurde von der Universität Tübingen entworfen und aufgebaut. In dieser Arbeit wurde das Ladungsspektrum des Vetos des fernen Detektors, der seit 2011 Daten nimmt, untersucht und mit Monte Carlo Simulationen verglichen. Die totale Ereignisrate im Veto wurde berechnet und die Dunkelrate der verbauten PMTs bestimmt und Messungen in Tübingen gegenüber gestellt. Ferner wurden Monte Carlo Simulationen präsentiert, die durchgeführt wurden, um mögliche Verbesserungen für den nahen Detektor zu prüfen. Als Resultat wurde dieser mit mehr hochreflektierender Folie VM 2000 bestückt als im fernen Detektor. Der Aufbau fand in den Jahren 2013 und 2014 statt, die dafür notwendigen Vorbereitungen und die Installation wurden vorgestellt. In einer weiteren Studie wurden die von zwei unabhängigen Algorithmen rekonstruierten Azimuth- und Polarwinkelverteilungen von Myonen mit Simulationen verglichen und aufgezeigt, dass die Myonen vornehmlich aus der Richtung kommen, in der sich am wenigsten Abschirmung befindet. Ebenso wurde untersucht, in welchem Zeitfenster Myonen Ereignisse erzeugen, die dem Neutrinosignal ähneln und deshalb von der Auswertung ausgeschlossen werden müssen. Die Stabilität der Szintillatoren wurde betrachtet und mögliche Einflüsse auf diese vorgestellt. Zuletzt wurde eine Monte Carlo Studie für das JUNO Experiment präsentiert, ein sich im Aufbau befindliches Neutrinoexperiment, in der die Wasserschilddicke in Bezug auf die Eindringtiefe von myoninduzierten Neutronen untersucht wurde.