Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO

Warszawa, 16.11.2007

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

Marcin WójcikInstytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński


Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych

eksperymentów Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be


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


Termojądrowe źródło energiiCykl pp Cykl CNO


Widmo neutrin słonecznychGallium Chlorine SuperK, SNO


Zagadnienia




neutrin 7Be


Problem neutrin słonecznych

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


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


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°


Zagadnienia




neutrin 7Be

Warszwa, 16.11.2007

BOREXINO: kolaboracja


BOREXINO: lokalizacja (LNGS)


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


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


BOREXINO: fizyka antyneutrin

Baza ≥ 800 kmNależy oczekiwać uśrednionego sygnału od antyneutrin reaktorowych


BOREXINO: fizyka geoneutrin

KamLAND:Nature 436 (2005) 499-503.

Oczekiwane widmo (cpy)


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!


BOREXINO: budowa detektora

Detekcja elastycznego rozpraszania neutrin na elektronach.

Ciekły scyntylator PC + PPO



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


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!


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

Napełnianie zakończono 15.05.2007, 11:25


Zagadnienia




neutrin 7Be


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


210Pb, 210Bi i 210Po w scyntylatorze

Testy destylacji i ekstrakcji wodnej


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


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


Oczyszczanie scyntylatora

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


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


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.


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)


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)


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


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


Dyfuzja 222Rn

Zbiornik scyntylatora

Bariera 222Rn


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


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


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


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


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)


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)


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


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


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


Zagadnienia




neutrin 7Be


BOREXINO: ”surowe” dane


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


Rekonstrukcja pozycji


Adaptacja Fiducial Volume


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 !!!


Widmo z obszaru FV (47.4 d)


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


Zagadnienia




neutrin 7Be


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 -)


Dyskryminacja -


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


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)


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

Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO

Documents

Transcript of Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO