Warszawa, 28 listopada 2008

Wyniki eksperymentu BOREXINO po 192 dniach pomiarów

Marcin WójcikInstytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński

Warszawa, 28 listopada 2008

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Potencjał poznawczy BOREXINO Detektor BOREXINO Analiza sygnału Aktualny wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be i 8B

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

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

neutrinami typu pp Pomiar neutrin pp z „górnej części„ widma Pomiar neutrin typu CNO (~1 /dzień) może rozstrzygnąć o

metaliczności

Pee dla różnych rozwiązań LMA

LMA-1 – standardowe oscylacje w materii θ=340, m28·10-5 eV2

LMA-0, LMA-D – dwa z kilku niestandardowych modeli LMAO.G. Miranda et al., Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 145 (2005) 61-64

Pee przed BOREXINO

Neutrina CNO a metaliczność

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 Fiducial Volume (FV) – softwarowo wydzielona kula

scyntylatora o masie 78.5 tony (z 278 ton) FV otoczona wieloma koncentrycznymi warstwami osłony

biernej 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)Si półprzewodnik 10-10 g/g (domieszki)

Ar (39Ar) ~70 Vol.-ppb (STP)Kr (85Kr) ~0.1 Vol.-ppt (STP)

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

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

Napełnianie zakończono 15.05.2007, 11:25

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Wyni Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Aktualny wynik pomiaru strumienia

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

LAKN 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

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 / LAKN

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: 9 zdarzeń/(d·1 t), znacznie mniej 210Bi niż 210Po, 210Po eliminowany cięciem α/ (Gatti cut)

85Kr: opóźniona koincydencja /, 85Kr/85mRb, τ = 1.46 s, BR = 0.43 %, 85Kr = (29 ± 14) zdarzeń/(d·100 ton) (90 % C.L.)

210Bi: brak sygnatury, wolny parametr

Zagadnienia

Słońce jako źródło neutrin Detektor BOREXINO

Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia

neutrin 7Be

Akwizycja i struktura danych

• Algorytmy do rekonstrukcji pozycji zdarzeń oparte są o metodę największej wiarygodności, którą poszukuje się najbardziejprawdopodobnego miejsca emisji fotonów.

x0

t4t

5

t6

t1

t2

t3

ti = const + tofi + t'i

tofi = n/c * di(xi,yi,zi)

• Zakładamy próbną pozycję zdarzenia x0

• Obliczamy tof (czas przelotu) dla każdego fotonu

• Odejmujemy tof od każdego ti

• Porównujemy otrzymany rozkład t'i z oczekiwanym rozkładem fotonów emitowanych ze scyntylatora

• Algorytm przeszukuje inne pozycje x0 dopóki nie znajdzie pozycji dla której dopasowanie jest najlepsze

ti t'i

(xi,yi,zi)

Rozkład zdarzeń 14C Rozkład zdarzeń 214Bi-214Po

Zdolność rozdzielcza rekonstrukcji pozycji

14 ± 2 cm dla zdarzeń 214Bi-214Po (dwa zdarzenia, jedna pozycja)

41 ± 6 cm dla 14C (jednorodny rozkład ~ r2dr)

kB = 0.0kB = 0.017

Quenching

Light yield500 p.e. / MeV

Widzialna(wypromieniowana) energia

Ilość zarejestrowanychfotonów na wszystkichfotokatodach BOREXINO

Energia kinetyczna elektronu [MeV]

L

npe = L [MeV] * 500 [pe/MeV]

Własności detektora

BOREXINO: 192 dni pomiarów

Analiza widma

Sygnał neutrin typu 7Be

Moment magnetyczny

Strumień 8B, E > 2.8 MeV

Dyskryminacja -

Kalibracja E – specjalne źródła

DiodaŹródło

Źródła kalibracyjne

Obciążnik

Urządzenia kalibracyjne

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 !!!

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 na

poziomie 5·10-11B przy użyciu sztucznego źródła neutrin (51Cr, E = 751 keV) (obecnie < 10-10B)

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