Optical calibration of the SNO+experiment and sensitivity studies for the neutrinoless double beta decay

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Inácio, Ana Sofia Carpinteiro
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/30265
Resumo: Tese de mestrado, Física (Física Nuclear e Partículas) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Optical calibration of the SNO+experiment and sensitivity studies for the neutrinoless double beta decayNeutrino physicsNeutrinoless double beta decayCalibrationTeses de mestrado - 2017Departamento de FísicaTese de mestrado, Física (Física Nuclear e Partículas) Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017SNO+ is a large volume liquid scintillator experiment for neutrino physics located 2 km underground near Sudbury, Ontario, Canada. Its main physics goal is to search for the neutrinoless double beta decay of the isotope 130Te. Neutrinoless double beta decay is a lepton number violating process that, if observed, could prove the Majorana nature of neutrinos, i.e., that they are their own antiparticles, as well as allow the measurement of their effective mass. The search for this rare process requires low backgrounds and enough precision to discriminate them. It also needs an optimized energy resolution, that is only accomplished by a full calibration of the detector. This includes an Optical Calibration, that is fundamental to characterize the propagation and collection of the optical photons created by physics events. The laserball is one of the light sources used, producing a pulsed, near-isotropic light distribution throughout the detector. Its data is used to obtain the parameters of an optical model, responsible for characterizing the response of the detector to light, through a x2 minimisation performed by the Optical Calibration Analysis software. This thesis describes the Optical Calibration of the SNO+ detector, the laserball source, the statistical fit and its validation tools. It also discusses how changes in the optical parameters affect the energy scale and resolution of the neutrinoless double beta decay spectrum and the calculation of its half-life.Esta tese descreve a Calibração Óptica do detector SNO+ e os efeitos da óptica na sensibilidade para a procura do decaimento beta duplo sem neutrinos do is´otopo 130Te. SNO+ reutiliza o detector construído para a experiência SNO (1999-2006) para estudos de física de neutrinos, tais como a detecção de neutrinos solares, geo-neutrinos, neutrinos de reatores e de supernovas, assim como estudos de f´ısica exótica como o decaimento invisível de nucleões. No entanto, o objectivo principal da experiência é a procura do decaimento beta duplo sem neutrinos do 130Te que, se observado, provaria a natureza de Majorana dos neutrinos, permitindo a medição da sua massa efetiva, e forneceria pistas relativamente ao problema da hierarquia das massas dos neutrinos. Para isso, SNO+ vai contar com uma massa de 130Te da ordem dos 1330 kg, com os baixos fundos devido à sua localização subterrânea e a sua capacidade para os rejeitar, assim como uma resolução em energia optimizada. Esta última é garantida através de uma calibração detalhada do detector, incluindo a Calibração Óptica que é responsável por caracterizar a propagação e captura de luz no detector. Eventos dentro do detector criam luz que é detectada por ~9300 fotomultiplicadores (PMTs). A propagação dos fotões vai ser modificada durante a sua viagem até aos PMTs: vão ser dispersados e atenuados ao longo da distância percorrida, refractados e reflectidos ao atravessar de um meio para o outro, e a captura vai ser influenciada pelo ângulo sólido dos PMTs assim como pela sua eficiência e resposta angular. Para caracterizar todos estes efeitos, uma das fontes utilizada pela Calibracão Óptica e´ uma esfera difusora de luz quase isotrópica chamada laserball. A relação entre a quantidade de luz directa detectada pelos PMTs e os efeitos ópticos do detector é dada pelo Modelo Óptico, que é um modelo parametrizado que também inclui as anisotropias na distribuição de luz da laserball. Os parâmetros do modelo são obtidos dos dados da laserball, a diferentes posições e comprimentos de onda, por um fit estatístico realizado pela ferramenta de software Optical Calibration Analysis (OCA). A experiência SNO+ vai ter três fases diferentes: a Fase da Água, a decorrer durante a escrita desta tese, seguida da Fase de Cintilador Puro e da Fase de Adição de Telúrio, na qual se vai tentar observar o decaimento beta duplo sem neutrinos. A primeira fase da experiência é crucial para realizar uma Calibracão Óptica detalhada do detector de modo a medir as respostas angulares dos PMTs e as atenuações do meios em que a luz se propaga. Enquanto não é obtido o conjunto completo de dados de laserball necessários para a calibração, têm sido usados dados de Monte Carlo e de SNO para testar e validar o funcionamento da OCA, assim como criar análises mais rápidas e simples para verificar a qualidade dos dados da laserball e para validar os parâmetros ópticos obtidos. Este é o caso da Diagonal Scan Analysis, que obtém os coeficientes de atenuação do meio contido dentro do reservatório de acrílico a partir de dados com a laserball em posições ao longo de uma diagonal do detector, e da Laserball Asymmetry Analysis, que caracteriza a distribuição angular da laserball através de dados com a laserball no centro do detector mas com diferentes orientações. Durante extensos testes com dados de Monte Carlo, a Diagonal Scan Analysis e a Laserball Asymmetry Analysis mostraram uma boa capacidade em reproduzir os parâmetros ópticos usados como input para simular os dados. No caso da Laserball Asymmetry Analysis, o bom desempenho desta ferramenta levou à adaptação da OCA para receber os parâmetros da distribuição angular da laserball como input para o fit, reduzindo o espaço de parâmetros do fit e o tempo necessário para este ser feito. Testes à OCA com dados de Monte Carlo também mostraram o seu bom desempenho em reproduzir os parâmetros ópticos usados como input nos dados simulados, enquanto que testes com dados de SNO validaram o funcionamento do fit com dados reais de laserball. Desde o ínicio da Fase da Água de SNO+ já foram obtidos alguns dados com a laserball. Estes são importantes para realizar um conjunto de verificações, tais como verificar a estabilidade do detector e do laser, ajustar os parâmetros do laser e da laserball (como por exemplo a intensidade), criar e testar as ferramentas de verificação da qualidade dos dados e testar as ferramentas necessárias para preparar os dados antes de serem usados pelo fit da OCA. Algumas destas ferramentas já foram criadas e testadas com sucesso e continua em progresso o desenvolvimento das ferramentas de verificação da qualidade dos dados e dos testes com a intensidade do laser, que em breve resultarão no conjunto de dados completo para a Calibração Óptica. A última parte desta tese foca-se nos efeitos que os parâmetros ópticos têm nos mecanismos de reconstrução de energia e, consequentemente, na sensibilidade para a procura do processo de decaimento beta duplo sem neutrinos. A motivação para estes estudos residiu no facto de os refletores em torno dos PMTs, usados para aumentar a captura de luz, se degradarem ao longo do tempo, resultando numa diminuição da resposta angular dos PMTs, assim como o facto das atenuações dos meios, em particular do cintilador, poderem mudar com o tempo. Uma questão importante surgiu: se os efeitos ópticos não forem bem caracterizados e controlados ao longo do tempo, qual será o impacto no estudos do decaimento beta duplo sem neutrinos? Para responder a esta pergunta, foram simulados eventos de decaimento beta duplo sem neutrinos usando respostas angulares dos PMTs e comprimentos de atenuação escalados, assim como uma amostra de controlo que usou os parâmetros ópticos padrão, vindos da experiência SNO. Os resultados mostram que os parâmetros ópticos escalados, que não são tidos em consideração pelos mecanismos de reconstrução, induzem variações na escala e resolução em energia do espectro do decaimento beta duplo sem neutrinos. As variações na resolução em energia foram mais consideráveis no caso das respostas angulares escaladas, onde a resolução¸ em energia relativa aumentou em comparação com a amostra de controlo. Isto significa que uma incorreta caracterização da resposta angular dos PMTs resulta na redução da capacidade de separar corretamente o pico do decaimento beta duplo sem neutrinos dos eventos de fundo. Por outro lado, escalar o comprimento de atenuação do cintilador afetou consideravelmente o valor da energia reconstruída dos eventos, resultado num desvio do pico em comparação com a amostra de controlo. A energia reconstruída é aproximadamente proporcional ao número de fotões detectados que, se o detector estiver bem calibrado, deve ser igual ao número de fotões gerados pelo evento. Assim, comprimentos de atenuação mais pequenos resultam numa menor energia reconstruída, pois mais fotões são absorvidos e desviados durante o seu caminho dentro do detector. Por outro lado, comprimentos de atenuação maiores resultam numa maior energia reconstruída porque mais fotões chegam até aos PMTs. O tempo de meia-vida do decaimento beta duplo sem neutrinos do isótopo 130Te é calculado a partir do número de eventos detectados dentro de uma Região de Interesse (ROI) que é determinada por simulações de Monte Carlo. Um dos factores do cálculo é a eficiência da detecção do sinal, que é também determinada a partir de simulações detalhadas e corresponde ao número de eventos detectados no ROI a dividir pelo número total de eventos. As variações na energia causadas pelos parâmetros ópticos escalados afetam diretamente a eficiência e, consequentemente, a determinação do tempo de meia-vida. Para além disso, resultam num erro sistemático que se vai propagar para a incerteza do tempo de meia-vida. Deste modo, uma Calibração Óptica detalhada é crucial para a experiência SNO+, de forma a garantir uma boa precisão e sensibilidade para atingir os objetivos de física e para obter medições e limites competitivos. Para além disso, calibrações frequentes permitem um controlo regular da resposta óptica do detector, garantido que os dados recolhidos ao longo do tempo são consistentes uns com os outros.Maneira, José Carvalho, 1974-Prior, GersendeRepositório da Universidade de LisboaInácio, Ana Sofia Carpinteiro2018-01-05T12:27:47Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/30265TID:201870428enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:23:02Zoai:repositorio.ul.pt:10451/30265Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:46:03.513590Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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