Evaluación e impacto del fondo en la medida del ángulo de mezcla 013 en el experimento Double Chooz

Resumen

Double Chooz es un experimento diseñado para determinar el ángulo de mezcla theta13 a partir de la desaparición de los antineutrinos electrónicos emitidos por los reactores nucleares a aproximadamente 1 km. Los antineutrinos se observan mediante la coincidencia temporal del positrón y el neutrón, partículas producidas en la desintegración beta inversa. El objetivo de la tesis es determinar el impacto de los fondos en dicha medida. En concreto, se estudia el bajo nivel de fondo presente en la muestra y se cuantifica el fondo residual de la muestra. Todo esto permite validar el modelo de fondo utilizado en el análisis de Double Chooz. De todos los fondos posibles, en la tesis se estudia con mayor detalle el método de estimación y la composición del fondo accidental, mostrando como el método perfeccionado en el CIEMAT es muy preciso, incluso cuando la cantidad de fondo presente es muy baja, y proporcionando información útil sobre su composición. Las muestras de antineutrinos de estos canales se generan identificando las parejas de señales correlacionadas (sucesos), siendo la primera de ellas compatible con un positrón y la segunda con una captura de neutrón. Para que se alcance la precisión necesaria en la medida, se requiere un buen conocimiento de los fondos. Sin embargo, la indeterminación en las fuentes de los fondos hace que los estudios se realicen directamente a partir de los datos. Los fondos residuales se determinan componente a componente: stopping muons y neutrones rápidos; isótopos cosmogénicos beta-n y el fondo accidental. Los stopping muons y neutrones rápidos se determinan de forma conjunta a partir de una muestra de sucesos cuya primera señal ha sido producida en el exterior del detector. El fondo cosmogénico se determina estadísticamente a partir de la correlación con los muones previos. Por último, la frecuencia y el espectro energético del fondo accidental se estiman con el método del tiempo desplazado. Este método proporciona una muestra pura de accidentales (muestra offtime) aplicando los cortes de selección, pero usando una serie de ventanas de coincidencia desplazadas mas de 1s. De esta manera se puede obtener el espectro de accidentales directamente y las inestabilidades son tenidas en cuenta. Sin embargo, para reproducir correctamente la eficiencia de los cortes de selección sobre los accidentales de la muestra de antineutrinos, se debe aplicar un factor de corrección sobre la muestra offtime. Las medidas de estos fondos son utilizadas en la medida del theta13 de Double Chooz, sen2 (2 theta13) = 0.090 (0.032/-0.029). Se comprueba que su impacto en estos resultados es pequeño frente a la incertidumbre en el flujo de antineutrinos. Sin embargo, al incluir los datos del detector cercano, la contribución de los fondos, actualmente del 1%, será la dominante. Gracias a la potencia del método de estimación, la contribución a la incertidumbre del fondo accidental es despreciable, incluso en el canal de hidrogeno, donde es el fondo que se recoge en mayor cantidad. En cuanto a la composición del fondo accidental, a alta energía se observa que la componente principal son los isótopos cosmogénicos beta, 50%, aunque también son significativas las capturas de neutrones en acero, 20%. Los resultados presentados en la tesis muestran las medidas más precisas realizadas por Double Chooz, hasta primavera de 2016. El fondo presente en las muestras de antineutrinos utilizadas para realizar esas medidas se reduce de forma muy eficiente gracias a los estudios realizados. Los fondos residuales han sido determinados con buena precisión, de manera que su impacto en la medida es pequeño. El espectro y la frecuencia del fondo accidental han sido determinados con un error muy bajo gracias al método desarrollado en el CIEMAT. Además, para el diseño de futuros experimentos, se ha mostrado que la contribución de capturas de neutrones en acero es significativa a alta energía, por lo que es conveniente buscar materiales alternativ