Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7093

Final KARMEN-Results on Neutrino-Oscillations and Neutrino-Nucleus-Interactions in the Energy-Regime of Supernovae

Jürgen Reichenbacher

Abstract
Over the period of time from 1990-2001, the KARMEN neutrino experiment at the neutron-spallation-source ISIS was investigating neutrino-nucleus-interactions with spectroscopic quality in the energy-regime of up to 53 MeV. Muon-anti-, electron-and muon-neutrinos were produced in the pion-and muon-decay-chain at rest. In connection with the unique time structure of the ISIS accelerator and the characteristic detection signatures, it was feasible to measure precisely neutral-and charged-current-reactions on C-12, C-13 and Fe-56 with a signal to background ratio of up to 100:1.

In the framework of this thesis, it was possible for the first time to derive the corresponding cross sections in the energy-regime of supernovae both model-independently and consistently from the first combined analysis of all neutrino-nucleus-interactions, which could be studied with KARMEN. For this, the entire KARMEN2 data, with a strongly suppressed cosmic background rate due to the upgrade, was evaluated for the first time. Hence, an unprecedented experimental precision for the ratio of the measured neutrino cross sections for the neutral-current-and the exclusive charged-current-reaction on C-12 was achieved. Within this accuracy, it was feasible to verify e.g. the µ-e-universality of weak interaction.

Furthermore, upper limits on neutrino-oscillations were deduced from the measured cross sections, which all met theoretical expectations. Thus, it was straightforward possible to exclude at 90%CL large parts of the LSND favored evidence region for the oscillation of muon-anti-to electron-anti-neutrinos, especially for squared-mass differences above 1eV 2 . The searches for oscillations of muon-to electron-neutrinos, as well as electron-neutrinos to sterile neutrinos provided likewise no evidence for an additional heavy sterile neutrino (LSND-scenario).

Last but not least, it was shown in the framework of this thesis that the KARMEN-time-anomaly can be explained with a high probability of occurrence by intermediate-energy neutrons inducing beam correlated background from the accelerator.

Endgültige KARMEN Resultate zu Neutrino-Oszillationen und Neutrino-Kern-Wechselwirkungen im Energiebereich von Supernovae

Zusammenfassung
Das KARMEN Neutrinoexperiment untersuchte von 1990-2001 an der Spallationsneutronenquelle ISIS Neutrino-Kern-Wechselwirkungen im Energiebereich bis zu 53 MeV mit spektroskopischer Qualität. Myonanti-, Elektron-und Myonneutrinos entstehen im ISIS Target aus der Pion-und Myonzerfallskette in Ruhe. In Verbindung mit der einzigartigen Zeitstruktur des ISIS Beschleunigers und den jeweils charakteristischen Detektorsignaturen konnten geladene und neutrale Stromreaktionen an C-12, C-13 und Fe-56 mit einem Signal zu Untergrundverhältnis von bis zu 100:1 nachgewiesen werden.

Durch die erste kombinierte Analyse aller mit KARMEN beobachtbaren Neutrinokernreaktionen konnten diese erstmals modellunabhängig und konsistent im Energiebereich von Supernovae vermessen werden. Hierzu wurden erstmals die gesamten KARMEN2-Daten (mit einer stark unterdrückten kosmischen Untergrundrate durch den Upgrade) detailliert analysiert. Dabei wurde insbesondere für das Verhältnis der Neutrino-Wirkungsquerschnitte von neutraler zu geladener Stromreaktion an C-12 eine bislang einzigartige experimentelle Präzision von 5% erreicht. Im Rahmen dieser Genauigkeit konnte z.B. die µ-e-Universalität der schwachen Wechselwirkung verifiziert werden.

Aus den gemessenen Wirkungsquerschnitten, welche alle mit den theoretischen Erwartungen übereinstimmten, wurden darüberhinaus Obergrenzen für Neutrino-Oszillationen abgeleitet. Im Rahmen dieser Arbeit konnten somit weite Teile des LSND-Evidenzbereiches für Oszillationen von Myonanti- in Elektronantineutrinos mit 90% CL ausgeschlossen werden, insbesondere für Massenquadratsdifferenzen oberhalb von 1eV 2. Auch die Oszillationssuchen Myon- in Elektronneutrinos, sowie Elektronneutrinos in sterile Neutrinos lieferten keinen Hinweis auf ein zusätzliches steriles schwereres Neutrino (LSND-Szenario).

Abschließend konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, daß neutroneninduzierter strahlkorrelierter Untergrund vom Beschleuniger mit hoher Wahrscheinlichkeit die KARMEN-Zeitanomalie erklären kann.

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