Charm production in the OPERA experiment and the study of a high temperature superconducting solenoid for a liquid argon time projection chamber

The OPERA Experiment (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) is a long baseline neutrino oscillation experiment aiming for the first observation of ντ appearance in a nearly pure νμ-beam (with a small νe-contamination). The CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS) beamline has a length of 730 km and was optimized for detecting the appearance of τ -neutrinos through the reconstruction of τ -decays after a ντ charged current interaction. The oscillation amplitude (probability) depends on the mixing angle θ23 of the Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata (PNMS) matrix elements, which is close to 45◦, i.e. the mixing is maximal. The OPERA experiment is situated in the underground hall C of the Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in a highway tunnel near L’Aquila (Italy). For five years of running at the nominal beam intensity, about ten reconstructed τ -decays are expected. Since at the CNGS energies the probability of a νμ to oscillate on its way from CERN to LNGS into a ντ is only a few percent, most of the interactions in the OPERA target are νμ charged and neutral current interactions (CC,NC). In the charged current interaction the energy of the primary interaction is high enough to allow charm production in about 4% of the events. Since the lifetime and the masses of charm and τ particles are similar, the main goal of this thesis is to demonstrate the efficient reconstruction of charm events in the OPERA detector, proving the principle for detection of short lived particles. Also the background of charm decays in the OPERA experiment was studied and is presented here. Furthermore, the engineering and R&D studies for a magnetized liquid argon time projection chamber (LAr TPC) using high temperature superconductors (HTS) are presented in the appendix. A poet once said, ”The whole universe is in a glass of wine. ” We will probably never know in what sense he meant that, for poets do not write to be understood. But it is true that if we look at a glass of wine closely enough we see the entire universe. and you will find someday that, after all, it is not as horrible as it looks. Richard Feynman (1918 1988) Zusammenfassung Das OPERA Experiment (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) ist ein ”long baseline” Neutrino Oscillations Experiment welches den Nachweis von ντ Entstehung aus einem nahezu reinen νμ Strahl (mit einer geringen νe Kontaminierung) erbringen will. Der ”CERN Neutrinos to Gran Sasso” (CNGS) Strahl hat eine Länge von 730 km und wurde für die Detektierung des τ Neutrinos mittels der Rekonstruktion des τ Zerfalls nach einer Wechselwirkung des ντ via geladenen Strom optimiert. Die Oszillationswahrscheinlichkeit ist abhängig vom Mischwinkel θ23 der Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata (PNMS) Matrix Elemente. Der Mischwinkel ist nahezu 45◦, d.h. die Mischung is maximal. Das OPERA Experiment befindet sich in der Untergrundhalle C des Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in einem Autobahntunnel nahe L’Aquila (Italy). Nach fünf Jahren Laufzeit mit der nominellen Strahlintensität werden zehn rekonstruierte τ Zerfälle erwartet. Da bei der Energie des CNGS Strahls die Umwandlungswahrscheinlichkeit des νμ in ein ντ auf dem Weg vom CERN zum LNGS nur wenige Prozent beträgt, werden die meisten Wechselwirkungen innerhalb des OPERA Detektors aus Wechselwirkungen des νμ via geladenen und ungeladenen Strom bestehen. Beim geladenen Strom reicht die Energie der primären Wechselwirkung aus, um Charm Erzeugung in 4% der Wechselwirkungen zu ermöglichen. Da die Lebensdauer und Zerfallslänge von Charm und τ Teilchen ähnlich sind, war der Haupaugenmerk dieser Arbeit der Nachweis der Charm Rekonstruktion und Effizienz innerhalb des OPERA Detektors, um das Prinzip des Nachweises kurzlebiger Teilchen zu bestätigen. Auch der Untergrund der Charm Zerfälle im OPERA Experiment wurde untersucht und wird hier präsentiert. Weiterhin wird im Appendix die Entwicklung und R&D Studie einer magnetisierten flüssig Argon Time Projection Chamber (LAr TPC) mittels Hochtemperatur Supraleitern (HTS) behandelt. EinPoet sagte einst, ”Das ganze Universum findet sich in einem Glass Wein. ” Wir werden nie verstehen, wie er das gemeint hatte, da Poeten nicht schreiben um verstanden zu werden. Aber es stimmt, wenn wir nur genau in Weinglas schauen, sehen wir das gesamte Universum. und eines Tages wirst du schlussendlich erkennen, dass es nicht so schlimm ist, wie es aussieht. Richard Feynman (1918 1988)