Ajankohtaista

Väitös: 16.12.2016 Tuikahduksia syvällä maan alla – nestetuikeilmaisimen mittausohjelman laajennuksia (Loo)

Alkamisaika: perjantai 16. joulukuuta 2016, 12.00

Päättymisaika: perjantai 16. joulukuuta 2016, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, FYS1

Kai Loo
Kai Loo

FM Kai Loon fysiikan väitöskirjan ”Extending Physics Potential of Large Liquid Scintillator Neutrino Detectors” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Seon-Hee Seo (Seoul National University, Korea) ja kustoksena yliopistotutkija Wladyslaw Trzaska (Jyväskylän yliopisto). Väitös on englanniksi.

FM Kai Loon fysiikan väitöskirjan ”Extending Physics Potential of Large Liquid Scintillator Neutrino Detectors” tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Seon-Hee Seo (Seoul National University, Korea) ja kustoksena yliopistotutkija Wladyslaw Trzaska (Jyväskylän yliopisto). Väitös on englanniksi.

Neutriinot ovat kevyimpiä tunnettuja alkeishiukkasia, joita syntyy luonnossa esimerkiksi radioaktiivisuuden seurauksena sekä auringon ytimen fuusioprosesseissa. Vaikka neutriinoja on tutkittu jo vuosikymmeniä, ei niiden ominaisuuksia vielä täysin tunneta. Erityisiä ne ovat siksi, että niitä havaitsemalla on mahdollista tutkia paikkoja ja olosuhteita joihin ei muuten päästä käsiksi. Tällaisia ovat esimerkiksi maapallon tai auringon sisäosat tai olosuhteet räjähtävässä tähdessä eli supernovassa.

Kai Loon väitöstutkimuksessa selvitettiin jättiläismäisen nestetuikeilmaisimen vastetta erilaisille neutriinolähteille hiukkassimulaatioiden avulla. Näin voidaan laajentaa tulevaisuuden koejärjestelyn mittausohjelmaa kattamaan mahdollisimman laajasti eri neutriinofysiikan osa-alueita.

– Tutkimukseni keskiössä on ollut jättiläismäinen 50 000 tonnin tuikenestekohtiosta koostuva LENA (Low Energy Neutrino Astronomy) -ilmaisin, jonka yhdeksi mahdolliseksi sijoituspaikaksi on esitetty Pyhäsalmen kaivosta Pohjois-Pohjanmaalla. Syvälle maan alle täytyy mennä, ettei muu avaruudesta tuleva säteily häiritse mittausta, Loo kertoo.

Havaitsemisen kannalta neutriinot ovat erittäin hankalia tutkimuskohteita. Niiden vuorovaikutus materian kanssa on erittäin vähäistä. Ne pääsevät lentämään esteettä suurienkin materiatiheyksien läpi esimerkiksi auringon ytimestä sen pinnalle vuorovaikuttamatta.

– Olemattomasta vuorovaikutuksesta huolimatta neutriinoja voidaan kuitenkin havaita. Tuikeilmaisimessa neutriinon vuorovaikutus synnyttää valontuikahduksen, joka voidaan rekisteröidä herkillä valoilmaisimilla, Loo kuvailee.

Tutkimuksessa selvitettiin muun muassa Pyhäjoen Hanhikivelle suunnitellun ydinvoimalan vaikutusta maan sisältä tulevien neutriinojen, niin kutsuttujen geoneutriinojen mittaukseen. Tuloksena oli, että uuden reaktorin aiheuttama taustasignaalin kasvu ei vaarantaisi LENA-ilmaisimen geoneutriinomittauksia. Geoneutriinomittauksen avulla voitaisiin selvittää maapallon sisäistä isotooppijakaumaa ja edelleen maapallon sisäistä lämpövuota, joka aiheuttaa esimerkiksi mannerlaattojen liikkeet.

Hiukkasfysiikan mittausten keskeisenä tavoitteena on hiukkasten ominaisuuksien määrittäminen.  LENA-ilmaisimen mittausohjelmaa voidaan laajentaa käsittämään mahdollisten steriilien neutriinojen havaitseminen ennen näkemättömällä tarkkuudella. 

– Tällaisten steriilien neutriinojen löytyminen olisi loikka nykyisen hiukkasfysiikan teorian niin kutsutun standardimallin ulkopuolelle. Tekemämme hiukkassimulaatiot osoittavat, että niiden jättämä jälki nähtäisiin LENA-ilmaisimella, Loo arvioi.

Lisäksi väitöksessä selvitettiin nestetuikeilmaisimen mittausohjelman laajentamista hiukkaskiihdyttimistä ammutuille korkeaenergisille neutriinoille, sekä mahdollisuutta mitata neutriinojen niin kutsuttu varaus-pariteetti symmetriarikko.

Vaikka väitöstutkimuksessa esimerkki-ilmaisimena käytetyn LENA:n toteutuminen lähitulevaisuudessa ei näytä todennäköiseltä, voidaan tuloksia käyttää muiden tulevaisuuden suurien nestetuikeilmaisimien suunnitteluun ja mittausohjelman laajentamiseen. Seuraava tekniikkaa käyttävä koe (JUNO) on jo rakenteilla Kiinassa ja vastaavan kaltaista ilmaisinta suunnitellaan myös Koreaan (RENO-50).

Kai Loo kirjoitti ylioppilaaksi Vaasan lyseon lukiosta vuonna 1999. Hän aloitti opinnot Oulun yliopiston fysikaalisten tieteiden laitoksella 2000, josta valmistui filosofian maisteriksi 2008. Jatko-opintoja varten hän siirtyi Jyväskylän yliopiston fysiikan laitokselle 2009. Tutkimus on suoritettu osana yhteiseurooppalaista LAGUNA-hanketta ja työn ohjaajina ovat toimineet yliopistotutkija Wladyslaw Trzaska ja professori Jukka Maalampi. Tutkimusta ovat rahoittaneet Jenny ja Antti Wihurin rahasto sekä Jyväskylän yliopiston fysiikan laitos.

Teos julkaistaan sarjassa Department of Physics, University of Jyväskylä Research Reports numerona 14/2016, s194., Jyväskylä 2016, ISSN 0075-465X, ISBN 978-951-39-6811-3. Pdf-version ISBN 978-951-39-6812-0. Teosta voi tiedustella fysiikan laitokselta ja se on luettavissa osoitteessa https://www.jyu.fi/fysiikka/opiskelu/opinnaytteet/tutkielmat/theses/2016

Lisätietoja:

Kai Loo, puh. +358505239256, kai.k.loo@jyu.fi
tiedottaja Anitta Kananen tiedotus@jyu.fi, puh. +358 40 805 4142

Abstract

 

” Extending Physics Potential of Large Liquid Scintillator Neutrino Detectors”

 

The work presented in this thesis concentrates on the simulations of detector response of the large liquid scintillator detector LENA (Low Energy Neutrino Astronomy). LENA has been proposed for the next-generation neutrino detector for studying solar neutrinos, supernova neutrinos, geoneutrinos and proton decay. The work has been carried out as a part of the pan-European design studies LAGUNA and LAGUNA-LBNO. The main goal of the design studies was to find the best location and detector technology combination to cover as large physics potential as possible for the next-generation neutrino observatory inside Europe.

 

To strengthen and extend the physics program of the LENA, its performance on various physical phenomena have been studied. The neutrinos emitted from the nuclear reactors cause unavoidable background signal for geoneutrino measurement. The reactor neutrino background level for all the LAGUNA sites with the current operational reactors in the world has been evaluated. The effect to the geoneutrino measurements with LENA at the Pyhäsalmi mine have been evaluated, taking into account the new reactor to be constructed at the distance of 130 km from the Pyhäsalmi mine.

 

Recently updated results of the neutrino production at nuclear reactors have again livened the discussion about the additional sterile neutrino flavor(s), risen earlier from the discrepancies between expected and observed neutrino events in the source calibrations of Gallium-based solar neutrino experiments and the controversial results from accelerator neutrino experiments LSND and MiniBooNE. Taking as an assumption the 3+1 neutrino flavor scenario, the sensitivity of LENA detector to measure the parameters governing the active-sterile neutrino oscillation, i.e. the mixing angle and mass squared differences with man-made radioactive has been evaluated.

The studies related to the mass hierarchy and CP-violation determination capability of the LENA with the high-energy neutrino beam from CERN to Pyhäsalmi mine have been in focus in LAGUNA-LBNO design study. The work presented in this thesis was related to the detector performance simulations of LENA for the high-energy neutrino interactions in energy range of 1-10 GeV. An algorithm to look for the light emission inside the detector (rudimentary tracking) has been developed and its performance for the particle flavor determination have been evaluated. In addition, the calculations of the Daeδalus collaboration for probing the CP-violation with LENA have been reevaluated with the recent detector performance parameters of LENA.

Lisätietoja

Kai Loo
kuuluu seuraaviin kategorioihin: ,