Data analysis with ProtoDUNE and new physics searches with DUNE-ND

Abstract

Two complementary research thrusts will be presented aiming at advancing our understanding of neutrinophysics and demonstrating the potential of the precision, long-term stability, and reconstruction performance of massive liquid argon detectors. The first one describes the measurement of the seasonal variation of the cosmic-ray muon rate with the ProtoDUNE Single Phase detector at the CERN Neutrino Platform, based on data collected over a two-year period from 2018 to 2020. The analysis employs arobust strategy relying on randomly triggered, beam-off data recorded over a 3 ms readout window. After applying stringent run-quality, event-level, and track-selection criteria, clean samples of well-reconstructed cosmic muons are obtained for different months throughout the year. A statistically significant seasonal modulation of the cosmic muon rate is observed at the 4σ level. This result is consistent with measurements from other near-surface detectors and with theoretical models that attribute the modulation to atmospheric expansion and meson decay dynamics. The second part focuses on precision measurements and new-physics searches using elastic neutrino–electron scattering events at the DUNE Near Detector. This channel enables both high-precision Standard Model measurements and searches for beyond the Standard Model physics, including generalized neutrino interactions and deviations from unitarity in the neutrino mixing matrix. We also explore the potential of the DUNE Near Detector on measuring the weak mixing angle in the low-energy regime, where current constraints are limited. Together, these analyses establish a strong foundation for future neutrino interaction studies and demonstrate the unique capabilities of the DUNE Near Detector forboth precision measurements and new-physics searches.

Στην διατριβή αυτή παρουσιάζονται δύο συμπληρωματικοί ερευνητικοί άξονες με στόχο την προώθησητης κατανόησής μας στη φυσική των νετρίνων και την ανάδειξη των δυνατοτήτων, όσον αφορά την ακρίβεια, τη μακροχρόνια σταθερότητα και την ποιότητα ανακατασκευής, μεγάλων ανιχνευτών υγρού αργού. Ο πρώτος άξονας αφορά στη μέτρηση της εποχικής μεταβολής του ρυθμού κοσμικών μυονίων με τον ανιχνευτή ProtoDUNE Single Phase στην Neutrino Platform του εργαστηρίου CERN, βασισμένη σε δεδομένα που συλλέχθηκαν κατά τη διάρκεια διετούς περιόδου από το 2018 έως το 2020. Η ανάλυση χρησιμοποιεί γεγονότα που συλλέχθηκαν με τυχαίους σκανδαλισμούς (random triggers) εκτός δέσμης καταγεγραμμένα σε παράθυρο ανάγνωσης διάρκειας 3 ms. Μετά την εφαρμογή αυστηρών κριτηρίων ποιότητας λειτουργίας, επιλογής γεγονότων και τροχιών, καθώς και πλειάδας λεπτομερών μελετών προκύπτουν καθαρά δείγματα καλά ανακατασκευασμένων κοσμικών μυονίων για διαφορετικούς μήνες του έτους. Η στατιστική ανάλυση του δείγματος αυτού δείχνει μια εποχική διαμόρφωση του ρυθμού κοσμικών μυονίων στο επίπεδο των 4σ. Το αποτέλεσμα αυτό είναι συνεπές με μετρήσεις από άλλους ανιχνευτές κοντά στην επιφάνεια, καθώς και με θεωρητικά μοντέλα που αποδίδουν τη διαμόρφωση αυτή στη διαστολή της ατμόσφαιρας και στη δυναμική διάσπασης μεσονίων. Το δεύτερο μέρος επικεντρώνεται σε μετρήσεις ακρίβειας αλλά και αναζητήσεις νέας φυσικής μέσω γεγονότων ελαστικής σκέδασης νετρίνου–ηλεκτρονίου στον κοντινό ανιχνευτή του πειράματος DUNE. Το κανάλι αυτό επιτρέπει τόσο ακριβείς μετρήσεις εντός του Καθιερωμένου Προτύπου όσο και αναζητήσεις φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου, συμπεριλαμβανομένων γενικευμένων αλληλεπιδράσεων νετρίνων και αποκλίσεων από την ενιαία μοναδιαία φύση του πίνακα ανάμιξης των νετρίνων. Παράλληλα, διερευνάται η δυνατότητα του κοντινού ανιχνευτή του DUNE να μετρήσει τη γωνία ασθενούς μείξης σε χαμηλές ενέργειες, όπου οι υφιστάμενοι πειραματικοί περιορισμοί παραμένουν ανεπαρκείς. Συνολικά, οι αναλύσεις αυτές θέτουν μια ισχυρή βάση για μελλοντικές μελέτες αλληλεπιδράσεων νετρίνων και αναδεικνύουν τις μοναδικές δυνατότητες του κοντινού ανιχνευτή του DUNE τόσο για μετρήσεις ακριβείας όσο και για αναζητήσεις νέας φυσικής.