Bestimmung des leptonischen Mischungswinkels Theta-13 mit dem Double-Chooz Experiment

• Antragsteller: Professor Dr. Christopher Wiebusch
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2007
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 39031316

Das Hauptziel des Double Chooz-Experiments ist die Messung der Flavor-Oszillationen von Anti-Elektronen-Neutrinos.Das Experiment besteht aus zwei nahezu identischen Detektoren, die den Fluss von Anti-Elektronen-Neutrinos in unterschiedlichen Abständen zu den beiden Reaktorkernen des Kernkraftwerks Chooz in Frankreich messen. Das Experiment ist optimiert für die Messung des Verschwindens von Reaktorneutrinos in Abhängigkeit vom dem leptonischen Mischungswinkel Theta-13, aber es ist auch empfindlich für zusätzliche Oszillationsmoden, die mit hypothetischen sterilen Neutrinos zusammenhängen. Mit dem experimentellen Konzept zweier identischer Detektoren zur Minimierung systematischer Unsicherheiten hat die Double Chooz Kollaboration sehr erfolgreiche Pionierarbeit geleistet. Zum Start des Projekts im Jahr 2006 war unklar, ob der Effekt existiert und gemessen werden kann. Inzwischen ist Theta-13 der mit dem kleinsten relativen Fehler gemessene Neutrinomischungswinkel, unter anderem durch die Messungen von Double Chooz. Mit nur einem Fern-Detektor nahm Double Chooz den Betrieb in 2011 auf. Der zweite, nahe gelegene Detektor wurde Anfang 2015 in Betrieb genommen werden und das Experiment so in seiner vollen Konfiguration bis 2018 betrieben. Unsere Gruppe an der RWTH Aachen wird seit 2007 von der DFG gefördert. Wir haben maßgeblich zum Aufbau und Betrieb von Double Chooz sowie zur Datenanalyse beigetragen, insbesondere zu den bisherigen Messungen von Theta-13. Wir haben etwa 15% der Photomultiplier der inneren Detektoren zur Verfügung gestellt und das Triggersystem sowie weitere Komponenten des Datenerfassungssystems entwickelt, das in allen Phasen des Detektorbetriebs sehr zuverlässig mit einer Effizienz von fast 100% arbeitete. Die Auswertung der experimentellen Daten ist noch nicht abgeschlossen. Ziel dieses Antrags ist die Erstellung des Endergebnisses für die Messung von Theta-13, und zusätzlich ein Endergebnis für die Suche nach sterilen Neutrinos. Die Bestimmung von Theta-13 wird letztlich durch systematische Unsicherheiten begrenzt sein, und daher werden diese Fehler für das Endergebnis reduziert werden. Das Double Chooz Experiment hat in dieser Richtung mehrere einzigartige Vorteile: Die beiden Detektoren wurden so positioniert, dass der relative Flussbeitrag der beiden Reaktoren für beide Detektoren ähnlich ist. Außerdem können während der Phasen, in denen die Reaktoren gestoppt sind, seltene Untergründe präzise gemessen werden. Daher erwarten wir, dass das Ergebnis von Double Chooz über viele Jahre hinweg einen wichtigen Beitrag zum globalen Wissen über den Wert Theta-13 leisten wird. Die Unsicherheit von Theta-13 ist für das Gebiet der Neutrino-Oszillationen von entscheidender Bedeutung, da sie ein Input für andere Messungen wie die Messung der Neutrino-Massenhierarchie, der CP-Verletzung im Lepton-Sektor und Tests der Unitarität der PMNS-Matrix ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Achim Stahl