German Title: Entwicklung von metallbeladenen Flüssigszintillatoren für zukünftige Detektoren zur Untersuchung von Neutrinoeigenschaften

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Abstract

Several future neutrino experiments call for metal loaded liquid scintillators for neutrino detection. The challenge in the development of such scintillators is how to dissolve large amounts of the metal in an organic liquid scintillator without degrading the optical properties. A promising new approach is the use of metal ß-diketonates. Different to earlier approaches which resulted in non-stable metal loaded scintillators, long term stability of optical and chemical properties is expected. A method to develop a highly In-loaded liquid scintillator for a future real-time experiment that measures the low energy solar neutrino spectrum via the charged current interaction is investigated. This research includes the synthesis and purification of pure In(acetylacetone)3, optical characterization of scintillator components, theoretical modeling, optimization of the scintillator composition and measurements in a prototype detector. The approach used is motivated by the expected stability and purity which are both basic requirements on such a metal loaded scintillator. The same method is used for the investigation of a Gd-loaded scintillator for a reactor neutrino experiment that aims to measure neutrino mixing parameters. Finally, a further application of this approach could be the fabrication of a Nd-loaded liquid scintillator for a future experiment searching for neutrinoless double ß-decay.

Translation of abstract (German)

Mehrere zukünftige Neutrinoexperimente erfordern zum Neutrinonachweis metallbeladene Flüssigszintillatoren. Die Herausforderung in der Entwicklung eines solchen Szintillators liegt darin, große Mengen des betreffenden Metalls in einem organischen Flüssigszintillator zu lösen, ohne dabei die optischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Ein vielversprechender neuer Ansatz liegt in der Verwendung von Metall-ß-Diketonen. Im Unterschied zu vorherigen Ansätzen, die zu instabilen metallbeladenen Szintillatoren führten, wird Langzeitstabilität der optischen und chemischen Eigenschaften erwartet. Es wird eine Methode zur Herstellung eines Szintillators mit hoher In-Beladung für ein zukünftiges Echtzeit Experiment, das das niederenergetische Sonnenneutrinospektrum über Reaktionen durch den geladenen Strom nachweisen soll, untersucht. Diese Entwicklung beinhaltet die Synthese und Reinigung von hochreinem In(Acetylaceton)3, die optische Charakterisierung der Szintillatorkomponenten, die theoretische Modellierung und die Optimierung der Szintillatorzusammensetzung sowie Messungen in einem Prototyp Detektor. Der verwendete Ansatz wird durch die erwartete Stabilität und Reinheit, die beide zu den grundlegenden Anforderungen an den metallbeladenen Szintillator gehören, motiviert. Die selbe Methode wird verwendet, um einen Gd-beladenen Szintillator für ein zukünftiges Reaktorneutrinoexperiment, das sich die Messung von Mischungsparametern bei Neutrinooszillationen zum Ziel gesetzt hat, zu entwickeln. Eine weitere Anwendung dieses Ansatzes könnte schließlich die Herstellung eines Nd-beladenen Flüssigszintillators für ein zukünftiges Experiment zur Suche nach dem neutrinolosen doppelten ß-Zerfall sein.