Nachweis von Tauneutrinos mit ORCA und Bestimmung der leptonischen CP-Phase mit Super-ORCA

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Eberl
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339011373

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das geförderte Projekt beschäftigte sich mit einigen der wichtigsten offenen Fragen der Neutrinophysik. Zum Einen wurde das Ziel verfolgt, das etablierte Modell der Neutrinophysik mit drei verschiedenen Teilchenflavour auf Vollständigkeit zu testen, indem die Mischung der verschiedenen Neutrinoflavour mithilfe des Neutrinoflusses aus der Atmosphäre der Erde präzise untersucht werden sollte. Zum Anderen wurde im Projekt untersucht, ob es möglich ist eine Verletzung der sogenannten CP-Symmetrie, also eines unterschiedlichen Verhaltens von Neutrinos und Antineutrinos bei Flavouroszillationen, mithilfe eines Wasser-Tscherenkow-Detektors in der Tiefsee nachzuweisen. Die Projektförderung ermöglichte eine Beteiligung am KM3NeT-Experiment, das einen Tscherenkow-Detektor, ORCA, zum Nachweis von Neutrinos in der Tiefsee des Mittelmeeres errichtet. Dieser Detektor besteht aus einer dreidimensionalen, gitterartigen Anordnung von lichtempfindlichen Sensoren, die das Licht vermessen, das von geladenen Sekundärteilchen im Wasser induziert wird, wenn ein Neutrino mit einem Atomkern des Wassers zusammenstößt. Das Projekt hat wesentlich zur Kalibration und zum Verständnis des sich im Aufbau befindlichen Detektors durch verschiedene Datenanalysen beigetragen. Es wurde mithilfe künstlicher neuronaler Netze eine komplette Datenanalysekette erarbeitet, die es erlaubt, Neutrinointeraktionsereignisse im Detektor nach ihrem Ereignistyp zu klassifizieren und die für das Experiment wesentlichen Neutrinoeigenschaften zu vermessen. Zudem wurde Analysesoftware erstellt und erweitert, die es gestattet, mit statistischen Methoden auf Basis von Monte-Carlo- Simulationen die Empfindlichkeit des im Bau befindlichen und eines dichter instrumentierten geplanten Detektors für verschiedene Messgrößen detailliert zu evaluieren. Zu den wesentlichen Resultaten dieses ersten Teilprojekts gehört die erste Vermessung von Neutrinos mit ORCA, sowie die Evaluation und Optimierung der Empfindlichkeit auf den Fluss von Tauneutrinos aus der Atmosphäre. Im zweiten Teilprojekt wurde eine Machbarkeits- und Sensitivitätsstudie für einen Detektor vom ORCA-Typ durchgeführt, der durch eine verdichtete Anordnung der Lichtsensoren Neutrinos mit geringen Energien unter 2 GeV nachweisen und vermessen kann. Es konnte gezeigt werden, dass eine zehnmal dichtere Anordnung als bei ORCA dieses Ziel prinzipiell erreichen könnte. Gleichzeitig wurde aber auch klar, dass diese Anordnung durch die alleinige Vermessung des atmosphärischen Neutrinoflusses keine konkurrenzfähige Empfindlichkeit auf eine mögliche CP-Symmetrieverletzung durch Neutrinos erreichen wird. Die Studie wurde daraufhin um ein Szenario erweitert, in dem ein intensiver, künstlicher Neutrinostrahl von einem Teilchenbeschleuniger auf den Detektor am Boden des Mittelmeeres gerichtet werden könnte. Die vielversprechenden Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen deutlich auf, dass in dieser Konstellation eine hochempfindliche Messung einer möglichen CP-Symmetrieverletzung durch Neutrinos möglich wäre.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Measuring the neutrino mass hierarchy with KM3NeT/ORCA. J.Phys.Conf.Ser. 1342 (2020) 1, 012028, XV Int. Conf. on Topics in Astroparticle and Underground Physics 2017 (Sudbury, Kanada)
  J. Hofestädt
  
• Tau neutrino appearance with KM3NeT/ORCA. PoS(ICRC2017) 1025, 35. Int. Cosmic Ray Conf. 2017 (Busan, Südkorea)
  T. Eberl, S. Hallmann, J. Hofestädt
  
• KM3NeT/Super- ORCA: Measuring the leptonic CP-phase with atmospheric neutrinos - a feasibility study. XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics 2018 (Heidelberg)
  J. Hofestädt, T. Eberl, M. Bruchner
  
• Tau neutrino appearance with KM3NeT/ORCA. XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics 2018 (Heidelberg)
  T. Eberl, S. Hallmann, J. Hofestädt, M. Moser
  
• Atmospheric Neutrinos Detected with the First KM3NeT Detection Units of ARCA and ORCA. PoS(ICRC2019) 910, 36. Int. Cosmic Ray Conf. 2019 (Madison, WI, U.S.A.)
  J. Hofestädt et al.
  
• Letter of Interest for a Neutrino Beam from Protvino to KM3NeT/ORCA. Eur. Phys. J. C79, 758 (2019)
  A. V. Akindinov et al.
  
• Machine Learning for KM3NeT/ORCA. PoS(ICRC2019) 904, 36. Int. Cosmic Ray Conf. 2019 (Madison, WI, U.S.A.)
  S. Hallmann, M. Moser, S. Reck, T. Eberl
  
• Neutrino oscillation research with KM3NeT/ORCA. PoS(ICRC2019) 1019, 36. Int. Cosmic Ray Conf. 2019 (Madison, WI, U.S.A.)
  S. Hallmann et al.
  
• Super-ORCA: Measuring the leptonic CP- phase with Atmospheric Neutrinos and Beam Neutrinos. PoS(ICRC2019) 911, 36. Int. Cosmic Ray Conf. 2019 (Madison, WI, U.S.A.)
  J. Hofestädt, M. Bruchner, T. Eberl
  
• Dependence of atmospheric muon flux on seawater depth measured with the first KM3NeT detection units. Eur. Phys. J. C80, 99 (2020)
  M. Ageron et al.
  
• Event reconstruction for KM3NeT/ORCA using convolutional neural networks. Journal of Instrumentation
  S. Aiello et al.