Record #333901 - iMPULSE

DFG project G:(GEPRIS)552099472

Weiterentwicklung von Wasser-basiertem Flüssigszintillator im ANNIE Experiment: Nylon-Ballon und verbesserte Energierekonstruktion (2025-2027)

Coordinator	Professor Dr. Michael Wurm
Grant period	2024 -
Funding body	Deutsche Forschungsgemeinschaft
	DFG
Identifier	G:(GEPRIS)552099472

Note: Wasser-basierter Flüssigszintillator (engl. WbLS) ist eine neuentwickeltes Detekormedium für den Nachweis von astrophysikalischen Neutrinos und Long-Baseline Neutrinostrahl-Experimenten. Ionisierende Teilchen erzeugen in WbLS sowohl Szintillations- als auch Tscherenkow-Photonen. Die Rekonstruktion dieses hybriden Signals führt zu einer deutlichen Verbesserung in der Teilchenidentifizierung und damit Untergrunddiskrimination. Der vorliegende Antrag zielt auf die erste großskalige Anwendung von WbLS in der Rekonstruktion von GeV Neutrinoereignissen. Als Basis dient dafür das ANNIE Experiment im Booster Neutrino Beam am Fermilab. Diese Demonstration ist ein wichtiger Meilenstein für die zukünftige Anwendung von WblS in Long-Baseline Oszillationsexperimenten, etwa im vierten Fernen Detektor-Modul von DUNE. Das ANNIE Experiment nutzt einen 25 Tonnen fassenden Wasser Tscherenkow-Detektor zur Vermessung von Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitten und dem Nachweis der dabei entstehenden Neutronen. ANNIE fungiert auch als Testplattform für fünf LAPPD Lichtsensoren, die sub-Nanosekunden Zeitauflösung und damit einee deutlichen Verbesserung in der Vertexrekonstruktion und der Trennung von Tscherenkow- und Szintillationssignalen bieten. Unterstützt durch eine DFG-Sachbeihilfe war es uns letztes Jahr möglich, ein Plexiglas-Gefäß mit 365 kg WbLS im Wassertank von ANNIE zu installieren. Dies ermöglichte uns einerseits den ersten Nachweis von Neutrinos in WbLS, andererseits konnten wir mit Hilfe der im Tank installierten PMTs die Trennung von Tscherenkow- und Szintillationssignal demonstrieren. Dabei wurde aber auch klar, dass eine echte Evalatuion der neuen Technik und insbesondere der Nachweis von Rückstoß-Protonen und Neutronen ein deutlich größeres WbLS Volumen erfordern wird. Das Ziel des vorliegenden Antrags ist es daher im nächsten Schritt ein deutlich größeres WbLS Volumen in ANNIE zu installieren. Dafür wird ein neuer Nylon-Ballon für den WbLS entwickelt werden, der das gesamte aktive Volumen des Wassertanks ausfüllen und dabei 8 Tonnen WbLS enthalten wird. Außerdem wird der Tank mit fünf weiteren LAPPDs der nächsten Generation ausgestattet, um die hochauflösende Detektion des isotropen Szintillationssignals zu ermöglichen. In diesem verbesserten Setup sollen sowohl Protonen unterhalb der Tscherenkow-Schwelle als auch Neutronen im WbLS nachgewiesen werden. Ziel ist es damit eine deutliche Verbesserung der Energieauflösung zu erreichen. Im Rahmen des innerhalb der Kollaboration koordinierten Programms wird Mainz das Design und die Konstruktion des neuen Nylon-Ballons für den WbLS übernehmen. Darüber hinaus wird die Gruppe zunächst Rekonstruktionsalgorithmen zur Identifikation von Rückstoßprotonen und dann eine Energierekonstruktion für Neutrinoereignisse erstellen, die final auch die Informationen aus Neutronensignalen, LAPPDs und topologischer Ereignisrekonstruktion mit einschließen wird.

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Record created 2025-02-04, last modified 2025-02-09

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