Das ANNIE Forschungsprogramm für wasserbasierten Szintillator (2022-2024)

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Lachenmaier; Professor Dr. Michael Wurm
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490717455

Wasserbasierter Flüssigszintillator (engl. WbLS) wird derzeit als ein neues Detektormedium für niederenergetische astrophysikalische Neutrinos und Neutrinostrahl-Experimente diskutiert. In WbLS-Detektoren erzeugen ionisierende Teilchen Photonen durch Szintillation, aber auch durch den Cherenkov-Effekt. Damit erhöht sich der Informationsgewinn aus der Rekonstruktion deutlich, was u.a. erhebliche Verbesserungen in der Teilchenidentifikation (PID) und damit Untergrundunterdrückung mit sich bringt. Die Signaltrennung lässt sich durch den Einsatz ultraschneller Lichtsensoren weiter verbessern. Mit diesem Antrag schlagen wir die erste physikalische Anwendung von WbLS im ANNIE-Experiment (Accelerator Neutrino Nucleus Interaction Experiment) vor, das sich im Booster Neutrino Beam (BNB) am Fermilab befindet.ANNIE verwendet derzeit ein Gadolinium-beladenes Wassertarget, um GeV-Neutrino-Wechselwirkungen zu untersuchen und deren Querschnitte und Neutronenproduktionsverteilungen zu bestimmen. Der vorliegende Antrag zielt auf die Vorbereitung und Umsetzung eines Upgrades von ANNIE mit WbLS als Targetmaterial. In einem ersten Schritt kann dies durch den Einbau eines Plexiglastanks mit 320 kg WbLS ins Wassertarget von ANNIE realisiert werden. Die verbesserte Signalrekonstruktion in WbLS wird den Nachweis von Teilchen unterhalb der Cherenkovschwelle ermöglichen und die PID verbessern, indem als zusätzliche Information das Verhältnis der nachgewiesenen Cherenkov- und Szintillationsphotonen benutzt wird. ANNIE wird demnächst mit einem Array neuartiger LAPPD-Lichtsensoren ausgestattet, die eine Zeitpräzision im Sub-Nanosekundenbereich bieten. Ihr Einfluss auf die Ereignisrekonstruktion in WbLS wird von besonderem Interesse sein.Das Ziel des vorliegenden Antrags ist es, die hybride Ereignisrekonstruktion weiterzuentwickeln und sie auch in der Physik-Analyse der im Neutrinobeam genommenen Daten zu erproben. Das betrifft vor allem Neutral Current-Wechselwirkungen, die einen entscheidenden Untergrund für Long-Baseline-Oszillationsexperimente darstellen. Darüber hinaus sind diese NC-Wechselwirkungen von besonderem Interesse für das Verständnis von atmosphärischen Neutrinoereignissen in großvolumigen Wasser- und Szintillator-Detektoren, wo solche Ereignisse beispielsweise Untergrund bei der Suche nach dem diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund darstellen. Auch die Empfindlichkeit der indirekten Suche nach Dunkler Materie mit Neutrinodetektoren wird dadurch begrenzt. Ergänzt wird das vorgeschlagene Programm durch den Einbau eines Lasersystems zur Kalibrierung der WbLS-Szintillatorantwort und die Hardware-Vorbereitung auf eine zukünftige ANNIE-Phase III, in der das Target komplett mit WbLS gefüllt sein wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen