The starting SNO+ experiment, successor to the Sudbury Neutrino Observatory, is a neutrino detector using LAB based liquid scintillator as active medium. Situated in the SNOLab deep underground laboratory in Sudbury, Canada, the rock overburden amounts to about 6 km.w.e., providing an effective shielding against cosmic rays. The residual muon rate is 63 μ/day going through the detector volume. About 780 t of an LAB mixture inside an acrylic sphere with a 6 m radius will be observed by ≈ 9300 photomultipliers, surrounded by a ≈ 7000 t water shielding. SNO+ will be searching for low energy solar-, geo-, reactor- and supernova neutrinos, but the main goal is the observation of the neutrinoless double beta decay in Te-130. Under operating conditions, the scintillator will be cooled to about 12° C. This work investigated the effect of temperature changes on the light output of LAB based liquid scintillator in a range from -5° C to 30° C with α-particles and electrons in a small scale setup. Assuming a linear behaviour, a combined negative temperature coefficient of (−0.29 ± 0.01) %/° C is found. Considering hints for a particle type dependency, electrons show (−0.17 ± 0.02) %/° C whereas the temperature dependency seems stronger for α-particles (−0.35 ± 0.03) %/° C. A pulse shape analysis shows increased strength of a slow decay component at lower temperatures, pointing to reduced non-radiative triplet state de-excitations at lower temperatures. Furthermore, this work found upper bounds for the in-situ muon-induced isotope production via scaling calculations and simulations with Geant4 based software. For the most concerning isotope C-11, an upper limit of about 1.3 × 10^3 decays/kt/yr is found and a reduction technique, developed by the Borexino collaboration, can be effectively applied for SNO+. Also a muon reconstruction algorithm is implemented, performing reasonably well, but not good enough to improve the background reduction scheme. / Das zukünftige SNO+ experiment, Nachfolger des Sudbury Neutrino Observatory, ist ein Neutrino-Detektor mit LAB basierten Flüssigszintillator als aktivem Medium. Im SNOLab Untertagelabor (Sudbury, Kanada) gelegen, ist es durch die Felsüberdeckung von 6 km.w.e. hervorragend gegen kosmische Strahlung abgeschirmt. Die Rate der übrigen Myonen die das Detektorvolumen durchdringen beträgt ca. 63 μ/Tag. In einer Acrylkugel, mit einem Radius von 6 m, wird eine LAB Mischung von ≈ 9300 Photomultipliern beobachtet und von einer Wasserabschirmung von ≈ 7 kt umgeben. SNO+ wird nach niederenergetischen solaren-, Geo-, Reaktor- und Supernova Neutrinos suchen, aber das Hauptziel ist die Beobachtung von neutrinolosen doppelten Betazerfällen in Te-130. Unter den Betriebsbedingungen wird der Flüssigszintillator eine Temperatur von ca. 12° C annehmen. Diese Arbeit hat den Einfluss von Temperaturveränderungen in einem Bereich von -5° C to 30° C auf die erzeugte Lichtmenge untersucht. Dazu wurden α-Teilchen und Elektronen in einem kleineren Versuchaufbau beobachtet. Unter der Annahme eines linearen Verhaltens, wurde ein globaler negativer Temperaturkoeffizient von (−0.29 ± 0.01) %/° C gefunden. Unter Berücksichtigung von Hinweisen auf eine Teilchenartabhängigkeit, findet sich für Elektronen ein Koeffizient von (−0.17 ± 0.02) %/° C, wohingegen α-Teilchen eine stärkere Abhängikeit von (−0.35 ± 0.03) %/° C aufweisen. Eine Pulsformanalyse zeigt eine bei tieferen Temperaturen stärker ausgeprägte langsame Zerfallskomponente, was darauf hinweist dass die nicht-radiativen Abregungen der Triplet-Zustände bei niedrigeren Temperaturen reduziert sind. Weiterhin wurden in dieser Arbeit obere Ausschlußgrenzen für in-situ Myon-induzierte Isotopenproduktion gefunden, wozu Skalierungsrechnungen und Simulation mit auf Geant4 basierender Software benutzt wurden. Für das wichtigste Isotop C-11 wurde eine obere Grenze von 1.3 × 10^3 Ereignisse/kt/Jahr gefunden und eine Technik zur Reduzierung des Untergrundes, entwickelt von der Borexino Kollaboration, kann effektiv für SNO+ angewendet werden. Darüber hinaus wurde eine Myon Spurrekonstruktion implementiert, die sinnvolle Ergebnisse liefert, aber nicht gut genug ist um die Untergrund Reduzierung zu unterstützen.

Das vorliegende Unterrichtsmaterial bietet Ihnen und Ihren Schülern Einblicke in das faszinierende Forschungsfeld der Astroteilchenphysik. Dabei steht die experimentelle Untersuchung von kosmischen Teilchen am Beispiel der Myonen im Vordergrund. In den KAPITELN 1 und 2 werden zunächst einige Hintergrundinformationen für Lehrkräfte, wie beispielsweise Anknüpfungspunkte an den Lehrplan, benötigte Vorkenntnisse der Schüler, Lernziele sowie fachliche und methodische Hinweise gegeben. KAPITEL 3 beschäftigt sich dann mit der kosmischen Strahlung an sich. Mit Hilfe der Betrachtung von Teilchen in einer Nebelkammer gelingt der Einstieg in das Thema der Astroteilchenphysik. Neben den Spuren bereits bekannter Teilchen wie z. B. Elektronen und Alpha-Teilchen begegnen den Schülern hier erstmalig auch Myonen. Mittels anderer Experimente werden diese dann genauer untersucht. Die Experimente und Fachtexte werden durch entsprechende Aufgaben ergänzt. Abschließend wird dann die Entstehung der Myonen thematisiert. In KAPITEL 4 finden sich die vollständigen Lösungen zu allen Aufgaben. KAPITEL 5 bietet einen Überblick über weiterführende Materialien zum Thema kosmische Strahlung.

Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung einer Methode zur Energierekonstruktion von Myonen in Unterwasserteleskopen unter Verwendung der Amplituden und Trefferwahrscheinlichkeiten der Photomultiplier. Die Methode wird auf die Daten des Myon- und Neutrinoteleskopes NT-96 angewandt. / This thesis describes the development of a method for energy reconstruction of muons which are detected in underwater elescopes using the amplitudes and hit patterns of the photo multipliers. The method is applied to the data of the Baikal NT-96 muon and neutrino telescope.

The starting SNO+ experiment, successor to the Sudbury Neutrino Observatory, is a neutrino detector using LAB based liquid scintillator as active medium. Situated in the SNOLab deep underground laboratory in Sudbury, Canada, the rock overburden amounts to about 6 km.w.e., providing an effective shielding against cosmic rays. The residual muon rate is 63 μ/day going through the detector volume. About 780 t of an LAB mixture inside an acrylic sphere with a 6 m radius will be observed by ≈ 9300 photomultipliers, surrounded by a ≈ 7000 t water shielding. SNO+ will be searching for low energy solar-, geo-, reactor- and supernova neutrinos, but the main goal is the observation of the neutrinoless double beta decay in Te-130. Under operating conditions, the scintillator will be cooled to about 12° C. This work investigated the effect of temperature changes on the light output of LAB based liquid scintillator in a range from -5° C to 30° C with α-particles and electrons in a small scale setup. Assuming a linear behaviour, a combined negative temperature coefficient of (−0.29 ± 0.01) %/° C is found. Considering hints for a particle type dependency, electrons show (−0.17 ± 0.02) %/° C whereas the temperature dependency seems stronger for α-particles (−0.35 ± 0.03) %/° C. A pulse shape analysis shows increased strength of a slow decay component at lower temperatures, pointing to reduced non-radiative triplet state de-excitations at lower temperatures. Furthermore, this work found upper bounds for the in-situ muon-induced isotope production via scaling calculations and simulations with Geant4 based software. For the most concerning isotope C-11, an upper limit of about 1.3 × 10^3 decays/kt/yr is found and a reduction technique, developed by the Borexino collaboration, can be effectively applied for SNO+. Also a muon reconstruction algorithm is implemented, performing reasonably well, but not good enough to improve the background reduction scheme. / Das zukünftige SNO+ experiment, Nachfolger des Sudbury Neutrino Observatory, ist ein Neutrino-Detektor mit LAB basierten Flüssigszintillator als aktivem Medium. Im SNOLab Untertagelabor (Sudbury, Kanada) gelegen, ist es durch die Felsüberdeckung von 6 km.w.e. hervorragend gegen kosmische Strahlung abgeschirmt. Die Rate der übrigen Myonen die das Detektorvolumen durchdringen beträgt ca. 63 μ/Tag. In einer Acrylkugel, mit einem Radius von 6 m, wird eine LAB Mischung von ≈ 9300 Photomultipliern beobachtet und von einer Wasserabschirmung von ≈ 7 kt umgeben. SNO+ wird nach niederenergetischen solaren-, Geo-, Reaktor- und Supernova Neutrinos suchen, aber das Hauptziel ist die Beobachtung von neutrinolosen doppelten Betazerfällen in Te-130. Unter den Betriebsbedingungen wird der Flüssigszintillator eine Temperatur von ca. 12° C annehmen. Diese Arbeit hat den Einfluss von Temperaturveränderungen in einem Bereich von -5° C to 30° C auf die erzeugte Lichtmenge untersucht. Dazu wurden α-Teilchen und Elektronen in einem kleineren Versuchaufbau beobachtet. Unter der Annahme eines linearen Verhaltens, wurde ein globaler negativer Temperaturkoeffizient von (−0.29 ± 0.01) %/° C gefunden. Unter Berücksichtigung von Hinweisen auf eine Teilchenartabhängigkeit, findet sich für Elektronen ein Koeffizient von (−0.17 ± 0.02) %/° C, wohingegen α-Teilchen eine stärkere Abhängikeit von (−0.35 ± 0.03) %/° C aufweisen. Eine Pulsformanalyse zeigt eine bei tieferen Temperaturen stärker ausgeprägte langsame Zerfallskomponente, was darauf hinweist dass die nicht-radiativen Abregungen der Triplet-Zustände bei niedrigeren Temperaturen reduziert sind. Weiterhin wurden in dieser Arbeit obere Ausschlußgrenzen für in-situ Myon-induzierte Isotopenproduktion gefunden, wozu Skalierungsrechnungen und Simulation mit auf Geant4 basierender Software benutzt wurden. Für das wichtigste Isotop C-11 wurde eine obere Grenze von 1.3 × 10^3 Ereignisse/kt/Jahr gefunden und eine Technik zur Reduzierung des Untergrundes, entwickelt von der Borexino Kollaboration, kann effektiv für SNO+ angewendet werden. Darüber hinaus wurde eine Myon Spurrekonstruktion implementiert, die sinnvolle Ergebnisse liefert, aber nicht gut genug ist um die Untergrund Reduzierung zu unterstützen.