Study and detection of low energy neutrinos

Abstract

The idea of the detection of low energy neutrinos through the coherent neutrino nucleus elastic scattering intrigues the scientific community for a few decades now but remains unrealized. This interaction is predicted by the Standard Model and is considered advantageous over any other mode because of the sizeable increase of the cross section by a factor of the neutron number squared. Many interesting neutrino sources belong to the low energy category such as Supernova neutrinos, reactor neutrinos, Solar neutrinos and Geoneutrinos, the measurement of which promises new doors opened to fundamental physics, astrophysics and neutrino technologies. Furthermore, the experimental efforts for low energy neutrino measurements are of great interest to experimental research on direct Dark Matter detection. The reason is that they share the similar recoil signature and neutrinos consist the "background floor" of the Dark Matter measurements. But the detection of neutrinos by utilizing this interaction is a great challenge because of the fact that detectors with large target masses are not sensitive to low energy recoils (keV). In this thesis we propose the use of a novel gaseous TPC, the Spherical Proportional Counter (SPC), for low energy neutrino detection and study the conditions to perform such a task. The study can be divided in three parts; the first part is the experimental detection and the measurement of the detector response to low energy nuclear recoils. The low energy recoils are produced inside the gaseous volume of the detector by using neutron sources and exploiting the neutron nucleus elastic scattering. The second part is the development of software for the detailed simulation of radiation interactions with the experimental set up and the detector response to them. GEANT4 code is used to simulate the geometry of the experimental set up, to calculate the ionization yield inside the gaseous volume and to study the shielding response to background radiation. Apart from the GEANT4 simulation, a new method was developed for the calculation of the mean ionization potential and the Fano factor of low energy recoils in a specific medium using the ionization quenching factor calculated with SRIM and experimental data for the electron mean ionization potential and Fano factor of a given medium. The response of the detector to ionizing radiation is simulated with a software developed based on Garfield++. This software is used to simulate all the physical processes involved to the function of the detector like the drift, the diffusion and the multiplication of charges, to produce the output pulse of the electronics. The third part is the development of a code to utilize the fiducialization capabilities of the detector to discriminate localized energy depositions and spatially extended ones, for background rejection. Finally, a new experiment for Supernova neutrino detection is proposed. The set up of which consists of a highly pressurized SPC, placed deep underground for background reduction. The response of this set up to the low energy neutrino spectrum of a Supernova was simulated based on the computational methods developed during this thesis.

Η ιδέα της ανίχνευσης χαμηλής ενέργειας νετρίνων μέσω της σύμφωνης ελαστικής σκέδασης νετρίνου πυρήνα ιντριγκάρει την επιστημονική κοινότητα εδώ και δεκαετίες, αλλά ακόμα δεν έχει υλοποιηθεί. Η αλληλεπίδραση αυτή προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο και θεωρείται υπέρτερη κάθε άλλης αλληλεπιδράσης νετρίνων, λόγω της σημαντικής αύξησης της ενεργού διατομής κατά ένα παράγοντα του νετρονικού αριθμού του πυρήνα στο τετράγωνο (σε σύγκριση με την ελαστική σκέδαση νετρίνου νουκλεονίου). Πολλές ενδιαφέρουσες πηγές ανήκουν σε αυτή την κατηγορία νετρίνων, όπως τα νετρίνα από Υπερκαινοφανείς αστέρες, από πυρηνικούς αντιδραστήρες, Ηλιακά νετρίνα και Γεωνετρίνα. Η ανίχνευση των νετρίνων αυτών θα ανοίξει νέες πόρτες στη στοιχειώδη φυσική, στην αστροφυσική και την τεχνολογία νετρίνων. Επιπλέον οι πειραματικές προσπάθειες για την μέτρηση των νετρίνων χαμηλής ενέργειας είναι σημαντικές και για έναν άλλο τομέα έρευνας, αυτόν της ανίχνευσης Σκοτεινής Ύλης μέσω ελαστικών σκεδάσεων. Η ανίχνευση όμως νετρίνων, εκμεταλλευόμενοι την σύμφωνη ελαστική σκέδαση είναι μια απαιτητική διαδικασία, καθώς οι συνήθεις ανιχνευτές με μεγάλες ενεργές μάζες δεν έχουν ευαισθησία σε ανακρουόμενους πυρήνες με ενέργεια στην περιοχή των keV. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται η χρήση ενός καινοτόμου ανιχνευτή αερίου γεμίσματος, του Σφαιρικού Αναλογικού Απαριθμητή για την ανίχνευση των νετρίνων χαμηλής ενέργειας μέσω της σύμφωνης ελαστικής σκέδασης νετρίνου πυρήνα και μελετώνται η συνθήκες για να περατωθεί ένα τέτοιο έργο. Η μελέτη που έχει γίνει μπορεί να χωριστεί σε τρία μέρη; το πρώτο μέρος είναι η πειραματική ανίχνευση και η μέτρηση της απόκρισης του ανιχνευτή σε χαμηλής ενέργειας ανακρουόμενους πυρήνες. Το δεύτερο κομμάτι είναι η ανάπτυξη λογισμικού για την λεπτομερή περιγραφή της αλληλεπίδρασης ακτινοβολιών με την πειραματική διάταξη και της απόκρισης του ανιχνευτή σε αυτές. Το λογισμικό GEANT4 χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της πειραματικής διάταξης και τον υπολογισμό της εναπόθεσης ενέργειας στο αέριο γέμισμα, καθώς και για να μελετηθεί η απόκριση της θωράκισης στις ακτινοβολίες υποβάθρου. Εκτός από την προσομοίωση με το GEANT4, έχει αναπτυχθεί μια καινούργια μέθοδος για τον υπολογισμό της μέσης ενέργειας ιονισμού και του παράγοντα Fano ενός μέσου. Η απόκριση του ανιχνευτή στις ιονιστικές ακτινοβολίες προσομοιώνεται με λογισμικό που έχει αναπτυχθεί βασισμένο στο GARFIELD++. Αυτό το λογισμικό χρησιμοποιείται για να προσομοιωθούν όλες οι φυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία του ανιχνευτή, όπως η ολίσθηση, η διάχυση και ο πολλαπλασιασμός των φορτίων, καθώς και η απόκριση των ηλεκτρονικών συστημάτων. Το τρίτο μέρος είναι η ανάπτυξη λογισμικού βασισμένο στην δυνατότητα που μας δίνει ο ανιχνευτής για διάκριση διαφόρων τύπων αλληλεπιδράσεων, μέσω ανάλυσης σχήματος παλμού. Τέλος, προτείνεται η κατασκευή ενός Σφαιρικού Αναλογικού Απαριθμητή, για την ανίχνευση νετρίνων ενός Υπερκαινοφανούς αστέρα. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από έναν Σφαιρικό Αναλογικό Αναρίθμητη σε υψηλή πίεση, τοποθετημένο βαθιά κάτω από την γη, για την μείωση του υποβάθρου. Τέλος κάνωντας χρήση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια της διατριβής, προσομοιώνεται η απόκριση του ανιχνευτή σε ένα φάσμα νετρίνων Υπερκαινοφανούς αστέρα και υπολογίζεται η απόδοση του στην ανίχνευση των νετρίνων αυτών.