Wyniki eksperymentu BOREXINO po 192 dniach pomiarów Marcin Wójcik Instytut 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 Warszawa, 28 listopada 2008

Słońce jako źródło neutrin Założenia SMS: - Równowaga termiczna i hydro- statyczna - Radiacyjny transport energii - Termojądrowe źródło energii Obserwable: Masa: 1.991030 kg Wiek: 4.57109 lat Promień: 6.96108 m Moc: 3.841020 MW Powierzchnia: Ts = 5780 K, H: 73 % He: 25 %, Z>2: 2 % Centrum: Tc = 15.8106 K, H: 33.3 % He: 64.6 %, Z>2: 2.1 %  = 1.6105 kg/m3

Termojądrowe źródło energii Cykl pp Cykl CNO

Widmo neutrin słonecznych

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, m28·10-5 eV2 LMA-0, LMA-D – dwa z kilku niestandardowych modeli LMA O.G. Miranda et al., Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 145 (2005) 61-64

Pee przed BOREXINO

Neutrina CNO a metaliczność

BOREXINO: fizyka Supernowych Galaktyczna Supernowa: 10 kpc 31053 ergów 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) – ES Ep>250 keV ~50

BOREXINO: fizyka antyneutrin Baza ≥ 800 km Należy oczekiwać uśrednionego sygnału od antyneutrin reaktorowych

BOREXINO: fizyka geoneutrin Oczekiwane widmo (cpy) KamLAND: Nature 436 (2005) 499-503.

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)  610-9 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 Oczekiwany sygnał (7Be): ~35 /dzień (LMA) Przyczynek tła ≤ 1 zdarzenie/dzień 14C/12C ~10-18 natK (40K) ~10-14 g/g (10-18 g/g) 232Th ~10-16 g/g 238U (226Ra) (3·10-23 g/g) Si półprzewodnik 10-10 g/g (domieszki) Ar (39Ar) ~70 Vol.-ppb (STP) Kr (85Kr) ~0.1 Vol.-ppt

BOREXINO: fazy napełniania Detektor napełniony scyntylatorem Detektor napełniony ultra-czystą wodą Detektor napełniony ultra-czystym azotem 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 najbardziej prawdopodobnego miejsca emisji fotonów. x0 t 4 t 5 t 6 t 1 t 2 t 3 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 = const + tofi + t'i tofi = n/c * di(xi,yi,zi) (xi,yi,zi)‏ ti t'i

Zdolność rozdzielcza rekonstrukcji pozycji 14 ± 2 cm dla zdarzeń 214Bi-214Po (dwa zdarzenia, jedna pozycja) 41 ± 6 cm dla 14C (jednorodny rozkład ~ r2dr)‏ Rozkład zdarzeń 14C Rozkład zdarzeń 214Bi-214Po

Quenching kB = 0.0 kB = 0.017 Light yield 500 p.e. / MeV L Widzialna (wypromieniowana) energia 500 p.e. / MeV Ilość zarejestrowanych fotonów na wszystkich fotokatodach BOREXINO npe = L [MeV] * 500 [pe/MeV] Energia kinetyczna elektronu [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

Źródła kalibracyjne Dioda Źródło Obciążnik

Urządzenia kalibracyjne

Węgiel 11C 11C – eliminacja pozwoli mierzyć strumienie neutrin 11C:  + 12C → 11C + n +  wychwyt n →  (2.2 MeV) 11C → 11B + e+ + e T1/2 = 20.4 min Emax = 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 5·10-11B przy użyciu sztucznego źródła neutrin (51Cr, E = 751 keV) (obecnie < 10-10B) Poszukiwanie 02 (130Xe, 150Nd) Ultra-niskotłowy Detektor BOREXINO o masie 300 t