Detector and beamline response modeling for differential electron measurements with the KATRIN experiment

Neutrinos play a key role in astrophysics, cosmology, and the Standard Model of particle physics. The discovery of neutrino oscillations proved that neutrinos, although small, have non-zero mass. This is the only laboratory evidence for physics beyond the Standard Model. The seesaw model predicts the existence of sterile neutrinos to explain the small value of the neutrino mass. With a mass in the keV scale, sterile neutrinos are also dark matter candidates. The Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) holds the current best limit on the neutrino mass obtained through an integral measurement of the tritium beta spectrum. In the next years KATRIN, equipped with new detectors, will perform differential measurements of the tritium spectrum to search with unprecedented sensitivity both the neutrino mass and the existence of keV sterile neutrinos. The goal of my thesis is to realize a simulation of the entire KATRIN beamline which can be used to predict the measured tritium spectrum. I realized a hybrid simulation combining the tracking in materials, like the detector, handled by GEANT4 with the tracking in the KATRIN electromagnetic fields described analytically. I tested the detector model with data acquired in a dedicated setup, extracting these parameters that describe the detector response in a Bayesian framework. I also tested the whole beamline model with differential data acquired in KATRIN. Finally, I used this simulation to find hardware optimization of the beamline to reduce systematics effects, as well as to test possible analysis strategies to search for neutrino mass and sterile neutrinos.

I neutrini svolgono un ruolo fondamentale in astrofisica, cosmologia e nel Modello Standard della fisica delle particelle. La scoperta delle oscillazioni dei neutrini ha dimostrato che i neutrini, sebbene piccola, hanno una massa non nulla. Questa è l'unica prova di laboratorio per la fisica oltre il Modello Standard. Il modello seesaw prevede l'esistenza di neutrini sterili per spiegare il piccolo valore della massa dei neutrini. Con una massa nella scala dei keV, i neutrini sterili sono anche candidati alla materia oscura. Il Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (KATRIN) detiene l'attuale miglior limite sulla massa dei neutrini, ottenuto attraverso una misura integrale dello spettro beta del trizio. Nei prossimi anni KATRIN, dotato di nuovi rivelatori, effettuerà misure differenziali dello spettro del trizio per ricercare con una sensibilità senza precedenti sia la massa dei neutrini sia l'esistenza di neutrini sterili keV. L'obiettivo della mia tesi è realizzare una simulazione dell'intera linea di fascio KATRIN che possa essere utilizzata per prevedere lo spettro del trizio misurato. Ho realizzato una simulazione ibrida che combina il tracciamento nei materiali, come il rivelatore, gestito da GEANT4 con il tracciamento nei campi elettromagnetici di KATRIN descritto analiticamente. Ho testato il modello del rivelatore con i dati acquisiti in un setup dedicato, estraendo i parametri che descrivono la risposta del rivelatore in un quadro bayesiano. Ho anche testato il modello dell'intera linea di fascio con i dati differenziali acquisiti in KATRIN. Infine, ho utilizzato questa simulazione per trovare un'ottimizzazione dell'hardware della linea di fascio per ridurre gli effetti sistematici, nonché per testare possibili strategie di analisi per la ricerca di massa di neutrini e neutrini sterili.