A Design Study for the LEMMOND – Low Energy Neutrinos from Stored Muons and Monitored Beam Detector– of the European Spallation Source Neutrino Super Beam (ESSνSB) facility
Creators: name: Φασούλα, Ελισάβετ Εμμανουήλ
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Σχεδιασμός ανιχνευτή
Φυσική των νετρίνο
ESSnuSB
Detector Design
Neutrino Physics

description: This thesis presents an extensive design study for the LEMMOND (Low Energy Neutrinos from Stored Muons and Monitored Beam Detector) of the ESSνSB (European Spallation Source Neutrino Super Beam) project. The Standard Model (SM) adequately describes high-energy phenomena. Despite its repeated confirmation by experiments, there remain unanswered questions such as the matter-antimatter asymmetry, the mass of neutrinos, dark energy, and dark matter. According to the SM, neutrinos are massless particles. However, neutrino oscillations indicate that they have very small mass, suggesting that the SM is incomplete. Furthermore, the violation of CP symmetry (CPV), which refers to the different behavior between particles and antiparticles, can contribute to the explanation and/or better understanding of the matter-antimatter asymmetry. In the field of leptons, there is no conclusive evidence for CPV. However, according to major experiments, there are strong indications that there is maximal CP violation in neutrinos. The ESSνSB aims to provide experimental evidence for a mechanism beyond the SM and explain the matter-antimatter asymmetry, targeting the measurement of CPV at the second oscillation maximum. To achieve this, the high-power proton beam from the European Spallation Source (ESS) will be used. The LEMMOND (Low Energy Neutrinos from Stored Muons and Monitored Beam Detector) is one of the facilities of ESSnuSB+. It is a cylindrical water Cherenkov detector that will receive neutrino beams from pion and muon decays. The goal of this detector is the precise measurement of the cross sections. In the first part of this thesis, the spatial positioning and geometric characteristics of the detector are examined. Specifically, the distance of LEMMOND from the facilities that produce the neutrino beams, as well as its angular positioning relative to them, were studied to achieve minimal information loss. The geometric characteristics examined include the volume, radius, and length of the detector. The study concluded that the optimal positioning is at 50 meters, with a detector volume of 200 tons, a radius of 2.5 meters, and a length of approximately 10 meters. Although the angular orientation of the detector can increase the collection of a larger percentage of the beam, it is not feasible due to limited space. To measure the cross sections with the highest possible accuracy, a detector is required that can provide precise measurements of the direction, momentum, and identity of the leptons. In the second part of the thesis, a preliminary study of the capabilities of a Cherenkov detector and their improvement is conducted, using exceptional timing and spatial resolution, so that the positions and arrival time of the hit of each emitted Cherenkov photon on the photodetectors can be accurately determined. Additionally, the optimal track reconstruction technique was investigated. Three prediction models were developed, and the non-approximate model was adopted, which takes into account all the kinematic information of the emitted Cherenkov photons, presenting highly accurate predictions of the mean number of photons and the mean arrival time at the photodetectors. Using the maximum likelihood method, the agreement of the experimental data with the prediction was quantified. We concluded that highly accurate predictions of the direction and position of the initial track, the momentum of the initial particle, and the particle identity can be achieved.
description: Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει μια εκτενή μελέτη σχεδίασης για το LEMMOND (Low Energy Neutrinos from Stored Muons and Monitored Beam Detector) του προγράμματος ESSνSB (European Spallation Source Neutrino Super Beam). Το Καθιερωμένο Μοντέλο (SM) περιγράφει επαρκώς φαινόμενα υψηλών ενεργειών. Παρά την επαναλαμβανόμενη επιβεβαίωσή του από τα πειράματα, εξακολουθούν να υπάρχουν αναπάντητα ερωτήματα, όπως η ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, η μάζα των νετρίνων, η σκοτεινή ενέργεια και η σκοτεινή ύλη. Σύμφωνα με το SM, τα νετρίνα είναι άμαζα σωμάτια. Ωστόσο, οι ταλαντώσεις των νετρίνων υποδεικνύουν ότι έχουν πολύ μικρή μάζα, δίνοντας μια ένδειξη ότι το SM είναι ατελές. Επιπλέον, η παραβίαση της συμμετρίας CP (CPV), δηλαδή η διαφορετική συμπεριφορά μεταξύ σωματιδίων και αντισωματιδίων, μπορεί να συμβάλλει στην εξήγηση ή/και την καλύτερη κατανόηση της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης. Στον τομέα των λεπτονίων δεν υπάρχουν πειστικές αποδείξεις για την CPV. Ωστόσο, σύμφωνα με μεγάλα πειράματα, υπάρχουν ισχυρά στοιχεία που υποδεικνύουν ότι υπάρχει μέγιστη παραβίαση της CP στα νετρίνα. Το ESSνSB, επιδιώκοντας να παρέχει πειραματικές αποδείξεις για έναν μηχανισμό πέρα από το SM και εξηγώντας την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, στοχεύει στη μέτρηση της CPV στο δεύτερο μέγιστο ταλάντωσης. Για να επιτευχθεί αυτό, θα χρησιμοποιηθεί η δέσμη πρωτονίων υψηλής ισχύος από το European Spallation Source (ESS). Ο LEMMOND (Low Energy Neutrinos from Stored Muons and Monitored Beam Detector) είναι μία από τις εγκαταστάσεις του ESSnuSB+. Πρόκειται για έναν κυλινδρικό Cherenkov ανιχνευτή νερού που θα δέχεται δέσμες νετρίνων προερχόμενες από διασπάσεις πιονίων και μιονίων. Ο στόχος αυτού του ανιχνευτή είναι η ακριβής μέτρηση των ενεργών διατομών (cross sections). Στο πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας, εξετάζεται η χωρική τοποθέτηση και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του ανιχνευτή. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η απόσταση του LEMMOND από τις εγκαταστάσεις που παράγουν τις δέσμες νετρίνων, καθώς και η γωνιακή τοποθέτησή του σε σχέση με αυτές, ώστε να επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή απώλεια πληροφορίας. Τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά που ελέγχθηκαν περιλαμβάνουν τον όγκο, την ακτίνα και το μήκος του ανιχνευτή. Αποτέλεσμα της μελέτης ήταν ότι η βέλτιστη τοποθέτηση είναι στα 50 μέτρα, με όγκο ανιχνευτή 200 τόνους, ακτίνα 2.5 μέτρα και μήκος περίπου 10 μέτρα. Αν και η γωνιακή μετακίνηση του ανιχνευτή μπορεί να αυξήσει τη συλλογή μεγαλύτερου ποσοστού δέσμης, δεν είναι εφικτή λόγω περιορισμένου χώρου στις εγκαταστάσεις. Για να μετρηθούν οι cross sections με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια, χρειάζεται ένας ανιχνευτής που να μπορεί να προβλέπει με μεγάλη ακρίβεια την κατεύθυνση, την ορμή και την ταυτότητα των λεπτονίων. Στο δεύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιείται μια πρωταρχική μελέτη των δυνατοτήτων ενός ανιχνευτή Cherenkov και της βελτίωσή τους, χρησιμοποιώντας αρκετά καλή χρονική και χωρική απόκριση, έτσι ώστε να εντοπίζεται με μεγάλη ακρίβεια το σημείο και ο χρόνος πρόσκρουσης κάθε εκπεμπόμενου φωτονίου Cherenkov στους φωτοανιχνευτές. Επιπλέον, αναζητήθηκε η βέλτιστη τεχνική ανακατασκευής των τροχιών. Δημιουργήθηκαν τρία μοντέλα πρόβλεψης και υιοθετήθηκε το μη προσεγγιστικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψη όλη την κινηματική πληροφορία των εκπεμπόμενων φωτονίων Cherenkov. Το παρόν μοντέλο παρουσιάζει εξαιρετικά ακριβή πρόβλεψη του μέσου αριθμού φωτονίων και του μέσου χρόνου άφιξης στους φωτοανιχνευτές. Χρησιμοποιώντας την μέθοδο μέγιστης πιθανοφάνειας πραγματοποιήθηκε η ποσοτικοποίηση της συμφωνίας ή μη , της πειραματικής πληροφορίας με την πρόβλεψη. Καταλήξαμε στο συμπέρασμα ότι μπορεί να γίνει πολύ ακριβής πρόβλεψη της κατεύθυνσης και της θέσης της αρχικής τροχιάς, της ορμής του αρχικού σωματιδίου και της ταυτότητας του σωματιδίου.