Verbesserung der Energieauflösung und Untergrundunterdrückung bei EXO-200

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thilo Michel
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 323260844

Der neutrinolose Doppelbetazerfall könnte die Möglichkeit bieten, eine fundamentale Frage der Teilchenphysik zu beantworten, nämlich die Frage, ob Neutrinos Dirac- oder Majorana-Fermionen sind. Der Zerfall wurde bisher noch nicht nachgewiesen. EXO 200 ist ein Experiment zur Suche nach dem neutrinolosen Doppelbetazerfall von 136Xe. Der Detektor ist eine mit flüssigem, angereichertem Xenon gefüllte zylinderförmige, ortsauflösende Zeitprojektionskammer in der Waste Isolation Pilot Plant in New Mexico/USA. Der (eventuelle) Nachweis des neutrinolosen Doppelbetazerfalls geschieht über die Messung der Menge an Szintillationslicht und freien Sekundärelektronen, welche durch die beiden Zerfallselektronen im flüssigen Xenon hervorgerufen werden. Das Szintillationslicht nach dem Zerfall würde in 2 Ebenen von Avalanche Photodioden nachgewiesen. Die Sekundärelektronen würden während ihrer Drift in zwei Gittern mit zueinander gekreuzten Drähten durch Induktion (V Drähte) und Ladungssammlung (U Drähte) detektiert. EXO 200 hat in der ersten Phase der Datennahme, neben GERDA und KamLAND Zen, bereits eines der besten Limits auf die effektive Majorananeutrinomasse ermittelt. Für die in 2016 beginnende zweite Phase der Datennahme wurde das Rauschen der signalverarbeitenden Elektronik verringert, wodurch sich eine niedrigere Triggerschwelle sowie eine bessere Energieauflösung ergeben wird. Im Rahmen dieses Projekts soll die Energiekalibration des Detektors und damit die systematische Genauigkeit der Energierekonstruktion verbessert werden. Daraus resultiert eine Steigerung der Sensitivität auf die Halbwertszeit des Zerfalls. Hierzu wird eine Monte Carlo Simulation des Detektors eingesetzt und verbessert. Besonderes Augenmerk gilt der realitätsnahen Simulation der Antikorrelation von Licht und Ladung bei Ereignissen mit 2 geladenen Teilchen im Endzustand. Auch die Signale der V Drähte sollen verwendet werden, um die Energieauflösung des Detektors zu verbessern.Weiterhin wird in diesem Projekt die Identifikation von Untergrundereignissen, welche überwiegend von mehrfach streuenden Photonen hervorgerufen werden, verbessert. Hierbei sollen die Pulsformen der Induktionssignale in den U und V Drähten im Detail simuliert und zum Training von Random Decision Forests verwendet werden. Ziel ist es, die Trennschärfe bei der Unterscheidung von Ereignissen mit Energiedeposition an einer Position (Single Site, Signatur des Doppelbetazerfalls) von den Ereignissen mit Energiedeposition an mehreren Positionen (Multi Site, Untergrundsignatur) durch Anwendung von Random Decision Forests zu erhöhen. Eine zu entwickelnde Auswertemethode soll auf einer kontinuierlichen Größe basieren, welche die detektierte Größe eines Ereignisses charakterisiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen