Nachweis von Tauneutrinos mit ORCA und Bestimmung der leptonischen CP-Phase mit Super-ORCA

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Thomas Eberl
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 339011373

Einige der wichtigsten offenen Fragen der Neutrinophysik beschäftigen sich mit der Anordnung der Masseneigenzustände, der Bestimmung der Unitarität der Mischungsmatrix des etablierten 3-Flavour-Modells und der Messung der CP-verletzenden leptonischen Dirac-Phase.Mit ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) befindet sich derzeit ein Wasser-Tscherenkow-Detektor im Mittelmeer im Aufbau, der es durch eine Präzisionsmessung der energie- und zenitwinkelabhängigen Oszillationswahrscheinlichkeit atmosphärischer Neutrinos im Energiebereich von ca. 3 bis 50 GeV erlauben wird, einerseits innerhalb weniger Jahre die relative Anordnung der Massenzustände der Neutrinos aufzuklären und andererseits mit hoher Statistik Tauneutrinos aus Oszillationen von Myonneutrinos nachzuweisen.Dieser Antrag verfolgt zwei wesentliche Ziele. Zum Einen werden wir uns an der Datennahme und Datenanalyse der ersten Aufbauphase des ORCA-Detektors (Phase-1) mit 7 Detection Units beteiligen und aufbauend auf unseren Vorarbeiten zur Ereignisrekonstruktion die notwendigen Werkzeuge entwickeln, Tauneutrinos mit ORCA Phase-1 und im Endausbau (Phase-2) mit 115 Detection Units als Überschuss kaskadenartiger Ereignisse nachzuweisen. Auf diese Weise werden wir mögliche Abweichungen von der durch das 3-Flavour-Modell gegebenen Flusserwartung präzise und als erstes Experiment hochsignifikant bestimmen und so einen wichtigen Beitrag zum Test der Unitarität der Mischungsmatrix leisten.Zum Anderen zielt der Antrag darauf ab, die wesentlichen Grundlagen für den Bau eines zukünftigen Wasser-Tscherenkow-Detektors im Mittelmeer mit einer instrumentierten Masse von mehreren Megatonnen zur Bestimmung der CP-Phase zu erarbeiten. Wir wollen untersuchen, ob es mit einem dichter instrumentierten Detektor, Super-ORCA genannt, möglich ist, die schnellen Oszillationen von atmosphärischen Myon- und Elektronneutrinos unterhalb einer Energie von 2 GeV zu vermessen und dabei auf die mit dem Wert der CP-Phase ansteigende Phasenverschiebung der Oszillationen sensitiv zu sein. Dazu werden wir die Geometrie des Detektors im Zusammenspiel mit neu entwickelten Rekonstruktionsmethoden optimieren, wobei die Sensitivität für den Nachweis einer Abweichung der CP-Phase von Null als Maß dienen wird. Darüberhinaus werden wir uns mit den intrinsischen Auflösungsgrenzen der Rekonstruktionen befassen, die ein wesentliches Werkzeug bei der Entwicklung von Ereignisrekonstruktionen und der Optimierung des Detektors darstellen und ausloten, inwieweit systematische Unsicherheiten in unserer Kenntnis des atmosphärischen Neutrinoflusses sowie der Wirkungsquerschnitte der Neutrinos am Nukleon und am Kern die Messung erschweren bzw. die erreichbare Sensitivität begrenzen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen