Warszawa, 16.11.2007

Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7Be w eksperymencie BOREXINO

Marcin WójcikInstytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński

Warszawa, 16.11.2007

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych

eksperymentów Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be

Warszawa, 16.11.2007

Słońce jako źródło neutrinZałożenia SMS:- Równowaga termiczna i hydro- statyczna- Radiacyjny transport energii- Termojądrowe źródło energii

Obserwable:Masa: 1.991030 kgWiek: 4.57109 latPromień: 6.96108 mMoc: 3.841020 MWPowierzchnia: Ts = 5780 K, H: 73 % He: 25 %,Z>2: 2 %Centrum: Tc = 15.8106 K, H: 33.3 % He: 64.6 %,Z>2: 2.1 % = 1.6105 kg/m3

Warszawa, 16.11.2007

Termojądrowe źródło energiiCykl pp Cykl CNO

Warszawa, 16.11.2007

Widmo neutrin słonecznychGallium Chlorine SuperK, SNO

Warszawa, 16.11.2007

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych

eksperymentów Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be

Warszawa, 16.11.2007

Problem neutrin słonecznych

Cl , Ga – SNU (Solar Neutrino Unit). 1 SNU = 1 reakcja/(1036 jąder tarczy · s)

Warszawa, 16.11.2007

Oscylacje neutrin

Deficyt neutrin elektronowych obserwowany we wszystkich eksperymentach (Chlorine, Kamiokande, Super-K, GALLEX/GNO, SAGE)

Możliwe wyjaśnienie poprzez oscylacje neutrin (zakładając poprawność SMS)

W konsekwencji neutrino musi posiadac masę (wyjście poza Model Standardowy)

Oscylacje (efekt MSW) zostały potwierdzone przez eksperymenty SNO i KamLand

Warszawa, 16.11.2007

Oscylacje neutrin: SNOSNO mógł rejestrować wszystkie rodzaje neutrin. Sygnał od e był tylko częścią całkowitego sygnału.Ponieważ Słońce produkuje wyłącznie e - muszą istnieć oscylacje zapachów.Stany masowe nie są identyczne ze stanami zapachowymi.

Wyniki pomiarów SNO:Oddziaływania z prądami neutralnymi(jednakowo czułe dla wszystkich neutrin)Sprężyste rozproszenia na elektronach(wszystkie neutrina; dla e przekrój czynny 6 razy większyOddziaływania z prądami naładowanymi(tylko neutrina elektronowe)

m2 ≈ 810-5 eV2

27° < < 38°

Warszawa, 16.11.2007

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych

eksperymentów Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be

Warszwa, 16.11.2007

BOREXINO: kolaboracja

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: lokalizacja (LNGS)

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: fizyka Słońca Obserwacja niskoenergetycznych neutrin słonecznych w

czasie rzeczywistym Obserwacja neutrin 7Be: 10 % całkowitego strumienia Pierwszy pomiar strumienia -7Be z dokładnością 1 % (~35

/dzień). Test SMS oraz modelu oscylacji neutrin (LMA) oddziaływania niestandardowe np. z materią słoneczną

→ zmiana kształtu krzywej materia-próżnia? roczna modulacja sygnału (7 %)? Jej brak – inne oscylacje

niż LMA na drodze 106 km? długoczasowe zmiany sygnału (nie roczne) wskazujące

na nieznane procesy w jądrze słonecznym niespodzianką byłaby różnica dzień-noc!

Pomiar neutrin pep (~1 /dzień) – bezpośrednio powiązane z neutrinami typu pp

Pomiar neutrin typu CNO (~1 /dzień) – produkcja energii w dużych gwiazdach

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: fizyka Supernowych

Kanał reakcji Nzdarzeń

Odwrotny rozpad beta (-e) ~80

12C(,’)12C*(E= 15.1 MeV) ~23 NC

12C(e,e-)12N 12C(-e,e+)12B ~4 CC

(,p) – ESEp>250 keV ~50

Galaktyczna Supernowa: 10 kpc 31053 ergów

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: fizyka antyneutrin

Baza ≥ 800 kmNależy oczekiwać uśrednionego sygnału od antyneutrin reaktorowych

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: fizyka geoneutrin

KamLAND:Nature 436 (2005) 499-503.

Oczekiwane widmo (cpy)

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: budowa detektora Osłona bierna z wielu warstw o różnej gęstości i czystości Fiducial Volume (FV) – softwarowo wydzielona kula

scyntylatora o masie 100 ton (z 300 ton) FV otoczona wieloma koncentrycznymi warstwami

absorbującymi promieniowanie zewnętrzne, również od komponentów detektora

Wszystkie materiały - lecz głownie scyntylator - muszą posiadać nieosiągalną dotychczas czystość

Oczekiwany sygnał bez oscylacji: 50 /(d·100 t) 610-9 Bq/kg Woda pitna 10 Bq/kg

Scyntylator, jego pojemnik (nylon), ciecz buforowa po napełnieniu detektora zawierają o 10 RZĘDÓW mniej izotopów promieniotwórczych, niż cokolwiek na Ziemi!

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: budowa detektora

Detekcja elastycznego rozpraszania neutrin na elektronach.

Ciekły scyntylator PC + PPO

Warszawa, 16.11.2007

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: wymagana czystość LS

14C/12C ~10-18

natK (40K) ~10-14 g/g (10-18 g/g)232Th ~10-16 g/g

238U (226Ra) ~10-16 g/g (3·10-23 g/g)Ar (39Ar) ~70 Vol.-ppb (STP)Kr (85Kr) ~0.1 Vol.-ppt (STP)

Oczekiwany sygnał (7Be): ~35 ν/dzień (LMA)Przyczynek tła ≤1 zdarzenie/dzień

Warszawa, 16.11.2007

Counting Test Facility (CTF)Celem budowy było badanie czystości scyntylatora. Detektor zawiera:- 1500 ton ultra-czystej wody - 108 fotopowielaczy - 4 tony ciekłego scyntylatora

Eksperymentalnie potwierdzono, iż wymagany stopień czystości scyntylatora dla BOREXINO jest osiągalny!

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: fazy napełnianiaDetektor napełniony ultra-czystym azotemDetektor napełniony ultra-czystą wodąDetektor napełniony scyntylatorem

Napełnianie zakończono 15.05.2007, 11:25

Warszawa, 16.11.2007

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych

eksperymentów Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be

Warszawa, 16.11.2007

Niskie tło jest kluczowe Oczyszczanie scyntylatora:

Ekstrakcja wodna Destylacja próżniowa (80 mbar, 90-95 oC) „Przepłukiwanie” ultra-czystym azotem Filtrowanie

Ultra-czysty N2: 222Rn < 7 Bq/m3 , LN2 produkowany we współpracy z

fizykami Ar < 0.005 ppm, Kr < 0.02 ppt, LAK wytwarzany przez

fizyków Ultra-czysty nylon:

226Ra < 0.5 Bq/m2 aktywność powierzchniowa Ra 226Ra < 10 Bq/kg aktywność właściwa Ra Zmiana DRn o 103 dla wilgotności nylonu 0-100%

Ultra-czysta woda: 222Rn ~1 mBq/m3

226Ra < 0.8 mBq/m3

Warszawa, 16.11.2007

210Pb, 210Bi i 210Po w scyntylatorze

Testy destylacji i ekstrakcji wodnej

Warszawa, 16.11.2007

Destylacja scyntylatora

PC + 210Pb

PC + ?

Heater

Cooler

Glass flask

• Przeprowadzono dwa pomiary dla rożnych koncentracji 210Pb w PC

• Ilość PC z 210Pb: ~200 ml• Mała frakcja(~35 ml) badana

spektrometrem HPGe

Aktywność 210Pb w PC przed destylacją [cpm]

Aktywność 210Pb w PC po destylacji [cpm]

Współczynnik redukcji 210Pb

0.045 0.005 < 0.007 (90% C.L.) > 6

0.425 0.013 < 0.004 (90% C.L.) > 106

Warszawa, 16.11.2007

Ekstracja wodna

H2O

PC R = Awody___________

APC

• Przeprowadzono 4 testy • Vwody = VPC• 210Pb w cieczach po ekstrakcji

mierzono dla różnych czasów od jej zakończenia

Aktywność 210Pb po ekstr. [cpm]

Czas od zakończenia ekstrakcji

WspółczynnikR

Woda Scyntylator

0.103 0.006 0.021 0.003 5 dni 5.0 0.6

0.106 0.005 0.021 0.002 1 dzień 5.0 0.8

0.068 0.006 0.025 0.004 Kilka godzuin 2.7 0.7

0.024 0.003 0.028 0.004 Po separacji 0.9 0.2

Warszawa, 16.11.2007

Oczyszczanie scyntylatora

Oczyszczanie scyntylatora:PC: 6-stopniowa destylacja, usunięcie gazów (Rn, Ar, Kr) przy użyciu LAKN PPO: filtrowanie (0.05 m), destylacja, odgazowanie LAKN

Warszawa, 16.11.2007

Azot w BOREXINO

Próbka CAr [ppm] CKr [ppt]

MESSER (4.0) 200 30 1680 240Air Liquide (4.0) 11.0 1.3 40 5Linde AG, (7.0) 0.031 0.004 2.9 0.4SOL (6.0) 0.0063 0.0006 0.04 0.01Westfalen AG (6.0) 0.00050 0.00008 0.06 0.02Spec. (BOREXINO) < 0.4 < 0.2

Regular Purity Nitrogen (RPN):- Klasa 4.0, nieoczyszczany- Produkcja do 100 m3/h (STP)- 222Rn ~ 50 µBq/m3, Ar ~ 10ppm, Kr ~ 30 ppt

High Purity Nitrogen:- Adsorpcja 222Rn na węglu akt. (LTA)- Koncentracja 222Rn < 0.3 µBq/m3

- Produkcja do 100 m3/h (STP)-Ar i Kr nie są usuwane

LTA

LAK (Low Ar and Kr) Nitrogen:- Spec. Ar < 0.4 ppm, Kr < 0.2 ppt, 222Rn < 7 µBq/m3

- Oczyszczanie poprzez adsorpcje na specjalnym typie węgla możliwe w fazie gazowej- Badanie dostępnego N2 we wspolpracy z producentami -Testy czystości w trakcie transportu

Supplier/setup CRn [µBq/m3] CAr [ppm] CKr [ppt]

Linde AG, 3-m3 movable tank 1.2 0.018 0.06

SOL, 16-m3 tank 8 0.012 0.02

Po transporcie

Azot dostępny na rynku

Warszawa, 16.11.2007

Low Argon and Krypton (LAK) N2 Pomiary koncentracji 222Rn w azocie z SOL (Włochy). Specjalny zbiornik (16 m3) zbudowany od podstaw z założeniem minimalizacji tła. Napełnianie azotem i jego transport przeprowadzono zgodnie z opracoaną wcześniej procedurą.

Warszawa, 16.11.2007

Pomiary 222Rn

Töpler pump

PusherHg diff.pump

P10Ar

Charcoal trap for He purification

with flowmeter

He

Getter pump

Molecular sieve trap

Si-Getrap

Chromo-sorb trap

Radon transport

trap

NaOHtrap

To the pump

To the bubbler

Counter flange

Mai

n lin

e

Pressure gauge

• Liczniki zaprojektowane dla eksperymentu GALLEX/GNO

• Wytwarzane w MPI-K (objętość czynna ~ 1 cm3)

• Tylko rozpady α są rejestrowane • Próg detekcji: 50 keV - tło: 0.1 – 2 cpd - wydajność ~ 1.5• Limit detekcji: ~ 30 µBq

(15 atomów)

Warszawa, 16.11.2007

Pomiary 222Rn

Limit detekcji: ~100 Bq [50 atomów]

Emanacja 222Rn• Komory emanacyjne

20 l 50 Bq80 l 80 Bq

222Rn w gazach (N2/Ar)

limit detekcji: ~0.5 Bq/m3 (STP)

[1 atom w 4 m3]

• 222Rn adsorption on activated carbon• several AC traps available (MoREx/MoRExino)• pre-concentration from 100 – 200 m3

• purification is possible (LTA)

Warszawa, 16.11.2007

Pomiary 222Rn

Czułość: D ~ 10-13 cm2/sLimit detekcji dla 222Rn: ~0.1 mBq/m3

Limit detekcji dla 226Ra: ~0.8 mBq/m3

• 222Rn ekstrahowany z 350 litrów• Możliwe pomiary 222Rn i 226Ra

222Rn/226Ra w wodzie

Dyfuzja 222Rn w cienkich foliach• Rejestrowany jest profil czasowy

dyfuzji• Współczynnik dyfuzji obliczane na

podstawie odpowiedniego modelu

Warszawa, 16.11.2007

222Rn w azocie

Klasa Producent Wielkość próbki [m3] Cm [Bq/m3] Cf [Bq/m3]

4.5 – 5.0 Messer/Air Liquide 40 30 – 70 ---

6.0 (7.0) Linde 150 0.7 0.2 1

6.0 SOL 100 15 1 17

Warszawa, 16.11.2007

Dyfuzja 222Rn

Zbiornik scyntylatora

Bariera 222Rn

Warszawa, 16.11.2007

Dyfuzja 222Rn - aparatura

Rnsource

Pump

Humiditystandard (gas)

Apparatus forRn diffusion

measurements

Salt

PMT PMT

PMT PMT

Vd

Membrane filter

Investigated foil

Constant Rn flux

Rn chamber

Warszawa, 16.11.2007

Dyfuzja 222Rn - pomiary

0 20 40 60 80 100 120Timeh0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

evitaleR

tnuoC

etaR

n 2 n 1

Dry nylonD = (2.0 ± 0.5)×10-12 cm2/sS = 4.0 ± 0.8

0 20 40 60 80 100 120Timeh0

50000

100000

150000

200000n 1hpc

Warszawa, 16.11.2007

Dyfuzja 222Rn - wyniki

Współczynnik dyfuzji zmienia się o 3 rzędy wielkości pomiędzy folią suchą i wilgotną!

Dde

md de

7

md we

270Redukcja koncentracji Rn w BOREXINO o kilka rzędów wielkości

Warszawa, 16.11.2007

Pomiary 226Ra poprzez emanację 222Rn

Zawartość 226Ra w folii użytej do budowy pojemnika ciekłego scyntylatora nie mogła przekroczyć równoważnika 1 ppt 238U (12 Bq/kg)

Ze względu na stosunkowo małą gęstość nylonu (1.135 g/cm3) czułość najlepszych spektrometrów gamma była zbyt niska

Inne techniki, np. ICP-MS pozwalają wykonać pomiar zawartości 238U, który na ogół nie jest w równowadze z 226Ra

Nowa idea pomiaru polegała na badaniu emanacji Rn przez nylon o różnej wilgotności. Umożliwiła ona rozróżnienie aktywności powierzchniowej i objętościowej 226Ra

Warszawa, 16.11.2007

226Ra w zbiorniku scyntylatoraSpecyfikacja: 1 ppt U (~12 Bq/kg for 226Ra)

Ddry = 2x10-12 cm2/s (ddry= 7 m)Dwet = 1x10-9 cm2/s (dwet = 270 m)

Adry= Asf + 0.14 Abulk

Awet= Asf +Abulk

Rozróżnienie pomiędzy koncentracją wewnętrzną i powierzchniową 226Ra możliwe poprzez badanie emanacji 222Rn

Czułość: Cb ~ 10 Bq/kg Cs ~ 0.5 Bq/m2

Folia dla IV: wew. ≤ 15 Bq/kg pow. ≤ 0.8 Bq/m2

całkowita = (16 4) Bq/kg (1.3 ppt U)

Warszawa, 16.11.2007

226Ra w zbiorniku scyntylatora

No

Nylon type, thickness, mass,

surface area

Bulk 226Ra [mBq/ kg]

[ppt]

Surface

226Ra [µBq/ m2]

Total 226Ra [mBq/ kg]

[ppt]

1 Capron CF400 0.1 mm, 9.8 kg, 171 m2 0.58 ± 0.08

47 6

0.58 ± 0.08 47 6

2 Capron/ Sniamid* 0.1 mm, 9.5 kg, 167.5 m2 0.10 ± 0.02

8 2 3.0 ± 1.0 0.14 ± 0.03

11 2 3 Capron B73ZP (1st batch)

0.1 mm, 11.8 kg, 208 m2 0.21 ± 0.04

17 3 1.1 ± 0.7 0.22 ± 0.05

18 4 4 Capron B73ZP (2nd batch)

0.125 mm, 9.5 kg, 134 m2 0.46 ± 0.07

37 6 6.4 ± 2.2 0.55 ± 0.08

45 7 5 Sniamid (blend)

0.125 mm, 9.2 kg, 130 m2 < 0.02

< 1.6 < 0.8 0.016 ± 0.004

1.3 ± 0.4

Bezpośrednipomiar 226Ra

ICP-MS (U/Th)

Warszawa, 16.11.2007

Ar i Kr w azocie

Spektrometr masowy gazów szlachetnych typu VG 3600.

Używany do badania zawartości gazów szlachetnych w próbkach geologicznych i meteorytach.

Zaadoptowany do pomiarów zawartości gazów szlachetnych w azocie.

Limit detekcji: Ar: 10-9 cm3 1.4 nBq/m3 dla 39Ar in N2 Kr: 10-13 cm3 0.1 Bq/m3 dla 85Kr in N2

Warszawa, 16.11.2007

Jak osiągnąć niskie tło? PC specjalnie produkowany:

Ropa naftowa ze starego złoża Specjalna stacja pomp do napełniania specjalnych cystern Specjalne stanowisko w tunelu w LNGS do „rozładunku” PC

Komponenty detektora specjalnie oczyszczane: Wnętrze detektora, cysterny transportowe, zbiorniki,

rurociągi, aparatura – czyszczone kwasami i ultra-czystą wodą

Wnętrze detektora: klasa 10-10000 Budowa pojemnika scyntylatora (IV) – klasa 100, Princeton Wnętrze stalowej sfery – klasa 10 000

Szczelność próżniowa detektora i aparatury: <10-8 cm3s-1 bar

Aparatura wypełniana HPN / LAK N2

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: grupa krakowska

Wojciech Wlazło Lucyna Malina Grzegorz Zuzel Paweł Lipiński Anna Maszczyk

Marcin Misiaszek Nikodem Frodyma Grzegorz Rożej Krzysztof Pelczar Tomasz Kułakowski Marcin Wójcik

Warszawa, 16.11.2007

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych

eksperymentów Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: ”surowe” dane

Warszawa, 16.11.2007

Eliminacja mionówSzybkość zliczeń od mionów w scyntylatorze i buforze: (0.055±0.002)/sSkuteczność eliminacji mionów > 99%

Warszawa, 16.11.2007

Rekonstrukcja pozycji

Warszawa, 16.11.2007

Adaptacja Fiducial Volume

Warszawa, 16.11.2007

Węgiel 11C

11C: + 12C → 11C + n + wychwyt n → (2.2 MeV) 11C → 11B + e+ + e T1/2 = 20.4 minEmax = 1.0 MeV

11C – eliminacja pozwoli mierzyć strumienie neutrin pep i CNO – byłby to pierwszy pomiar tych strumieni !!!

Warszawa, 16.11.2007

Widmo z obszaru FV (47.4 d)

Warszawa, 16.11.2007

BOREXINO: charakterystyka tła Triger: 15 zdarzeń/s, głównie 14C miony w scyntylatorze i buforze: 0.055/s (5000/d) 14C: 14C/12C 2.7·10-18 222Rn: opóźniona koincydencja /α: 214Bi/214Po, τ = 236

s, 2 zdarzenia/(d·100 ton) → 238U jest na poziomie 2·10-17 g/g.

220Rn: opóźniona koincydencja /α: 212Bi/212Po, τ = 433 ns → 232Th jest na poziomie 2.4·10-18 g/g

210Po: 60 zdarzeń/(d·1 t), prawdopodobnie 210Bi nieobecny, 210Po eliminowany cięciem α/ (Gatti cut)

85Kr: opóźniona koincydencja /, 85Kr/85mRb, τ = 1.46 s, BR = 0.43 %, 85Kr < 35 zdarzeń/(d·100 ton) (90 % C.L.)

210Bi: brak sygnatury, wolny parametr

Warszawa, 16.11.2007

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych

eksperymentów Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be

Warszawa, 16.11.2007

Sygnał neutrinowy: pierwszy fitBez eliminacji 210Po. Ethr = 580 keVZmienne w procedurze fitowania:- neutrin 7Be- 85Kr (T1/2 = 10.76 y)- CNO + 210Bi (łącznie)- wydajność scyntylatora

Sygnał [cpd/100 t]:7Be: (49 7 12) 85Kr: (16 9 5)* 210Bi + CNO: (19 3 5)*) Na podstawie fitu, brak bezpośredniej ewidencji (koincydencje -)

Warszawa, 16.11.2007

Dyskryminacja -

Warszawa, 16.11.2007

Sygnał neutrinowy: drugi fitPo eliminacji 210PoFit w całym zakresieenergii

Wyznaczono:7Be: (47 ± 7 ± 12) cpd/100 t210Bi+CNO: (15 ± 4 ± 5) cpd/100 t85Kr: (22 ± 7 ± 5) cpd/100 t210Po: (0.9 ± 1.2) cpd/100 t

Warszawa, 16.11.2007

Sygnał neutrin typu 7BePomiar: (47 ± 7Pomiar: (47 ± 7statstat ± 12 ± 12systsyst) ) /(d/(d100 t)100 t)SMS: SMS: ((75 ± 4) /(d100 t)SMS+MSW(LMA): SMS+MSW(LMA): (49(49 ± 4) /(d100 t)

Warszawa, 16.11.2007

Podsumowanie BOREXINO od początku był projektowany i

konstruowany jako detektor niskotłowy! 15 lat badań – wiele rozwiązań wykorzystano w

innych eksperymentach. Rejestracja neutrin 7Be, pp, pep, CNO o energiach

< 2 MeV w czasie rzeczywistym Program pomiaru strumienia geoneutrin BOREXINO może zaobserwować supernową Pomiar momentu magnetycznego neutrina przy

użyciu sztucznego źródła neutrin (51Cr, E = 751 keV)

Poszukiwanie 02 (130Xe, 150Nd) Ultra-niskotłowy Detektor BOREXINO o masie 300 t