Prospects of Finding Sterile Neutrinos at the European Spallation Source

Abstract

The aim of this bachelor’s thesis is to investigate the potential for discovering sterile neutrinos or non-unitarity of the leptonic mixing matrix (LMM) at the European Spallation Source (ESS). Both sterile neutrinos and a non-unitary LMM have been suggested as origins of the LSND and MiniBooNE anomalies and in this work it is discussed to what extent these two models can be ruled out or confirmed at the ESS. To this end, 3+1 neutrino oscillations, as well as neutrino oscillations with a non-unitary mixing matrix, are analysed. The oscillations are implemented for the neutrino flux at the ESS, and a comparison is made between these two assumptions and the current standard of three neutrinos with a unitary mixing matrix. In order to analyse the experimental signal of this difference in flux, inverse beta decay and coherent elastic neutrino-nucleus scattering are investigated as detection methods. For each detection method the statistical significance is estimated by the ratio between the excess/deficiency of events, and the square root of the background. This is done considering a one year measurement. With the inverse beta decay, it should be possible to confirm or refute a fourth neutrino with properties suggested by the LSND data and to achieve this the detector should optimally be placed 22 m from the source. Additionally, the entire preferred region for non-unitarity should be possible to exclude if the distance between the detector and the source is less than 13 m. For the neutrino-nucleus scattering the corresponding significance is about five times smaller.

Popular Abstract (Swedish)

Varje sekund blir du bombarderad av över 100 biljoner partiklar utan att märka någonting. Detta är för att partiklarna i fråga är neutriner, mycket mycket små partiklar, som nästan aldrig interagerar med någonting. De skapas i solen och färdas nästan helt obemärkta genom jorden. Men bara nästan obemärkta - om man har en tillräckligt stor detektor kan man se dem. Däremot kan det finnas en ny, hittills okänd neutrino, som inte går att se överhuvudtaget, oavsett hur stor detektorn är. Hur ska vi kunna upptäcka den då?

Svaret ligger i en annan intressant egenskap hos neutrinerna, nämligen att de oscillerar. Det finns tre kända typer av neutriner: elektron-, muon- och tauneutrinon, som alla interagerar, om än mycket lite, med annan materia. Att de oscillerar betyder att de kan omvandlas till varandra, alltså att en elektronneutrino som skapas i solen kan ha förvandlats till en muonneutrino när den når vår detektor. När neutrinooscillationer först upptäcktes var det genom att elektronneutriner från solen såg ut att försvinna. Det kom som en överraskning eftersom oscillationerna förutsätter att neutrinerna har massa, vilket aldrig har observerats. Fortfarande vet vi inte hur stor massan är eller hur den uppstår, men den måste finnas eftersom neutrinerna definitivt oscillerar.

Flera modeller som kan förklara hur neutriner får massa förutsätter att det finns en fjärde neutrinotyp. Att den inte setts till än betyder att den inte går att observera direkt. Istället måste man studera oscillationerna. På grund av de specifika egenskaperna som den nya neutrino typen förväntas ha, så borde neutrinooscillationer uppenbara sig på mycket kortare avstånd jämfört med om det bara finns de tre vanliga typerna. Två experimentet har upptäckt oscillationer på kort avstånd, medan andra inte har det. Det betyder att vi måste göra fler och noggrannare mätningar för att kunna dra några slutsatser.

Som sagt är det inte helt lätt att fånga de flyktiga neutrinerna, men det blir lättare om man har många av dem. Ett ställe där de kommer skapas i mängder är The European Spallation Source (ESS), en forskningsanläggning som håller på att byggas i Lund. Där kommer ungefär 10^23 neutriner skapas varje år. Det går att jämföra med mängden stjärnor i universum och är otroligt många fler än de neutriner som kommer från solen. Hur många av dessa kommer vi att fånga upp i detektorn? Ungefär 100 per år. Är detta tillräckligt för att se effekten av det nya neutrinon?

Det är frågan jag försöker svara på. Jag simulerar hur neutrinooscillationerna kommer att se ut, både i fallet med tre typer av neutriner och i fallet med fyra typer. Sedan beräknar jag hur många neutriner som kommer fångas upp av en detektor i båda fallen och hur märkbar skillnaden mellan antalen är. Genom att göra dessa beräkningar kommer vi förhoppningsvis att kunna avgöra om det finns en ny neutrino när ESS väl är färdigbyggt.

Avslutningsvis finns alltså chansen att upptäcka en helt ny partikel på ESS i Lund. Det gör vi genom att studera hur neutriner oscillerar och hur oscillationerna skulle påverkas av en ny typ av neutriner. En sådan upptäckt skulle kunna leda till förståelse för hur neutriner får sin massa, vilket skulle betyda att vi upptäckt helt ny fysik.

• author: Ivarsson Biebel, Lina
• supervisor: Johan Rathsman
• organization: Particle and nuclear physics; Department of Physics
• course: FYSK04 20251
• year: 2025
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• language: English
• id: 9201701
• date added to LUP: 2025-06-18 09:21:21
• date last changed: 2025-06-18 09:21:21