Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Rejestracja geoneutrin w eksperymencie B OREXINO Grzegorz Zuzel Instytut Fizyki.

Prezentacja na temat: "Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Rejestracja geoneutrin w eksperymencie B OREXINO Grzegorz Zuzel Instytut Fizyki."— Zapis prezentacji:

1 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Rejestracja geoneutrin w eksperymencie B OREXINO Grzegorz Zuzel Instytut Fizyki Uniwersytet Jagielloński (Kolaboracja B OREXINO )

2 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Plan referatu Modele geofizyczne Ziemi - Model Chondryczny/BSE/FR - Georeaktor Właściwości geoneutrin - Model referencyjny - Przewidywania strumieni geoneutrin Pomiary strumienia geoneutrin - KamLand - B OREXINO - budowa i tło detektora - pomiar geoneutrin Planowane projekty Podsumowanie

3 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Strumień ciepła generowanego w Ziemi  = 60 – 90 mW/m 2 H = 30 – 45 TW   = 1.4 kW/m 2  CR  10 -8 W/m 2 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

4 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Sejsmologia – profil gęstości Propagacja fal akustcznych – profil gęstości B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

5 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Budowa Ziemi B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Stop Fe-Ni + lekkie el. (10%) T  4100 – 5800 K Geodynamo Stop Fe-Ni T  5700 K P  330 GPa Skała, „plastyczna” Wysokie Mg/Fe T  600 – 3700 K Si, Al – mniej niż w skorupie Skały perydotytowe Oliwin (Mg,Fe) 2 SiO 4

6 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Modele budowy Ziemi Różne modele przewidują różne rozkłady naturalnych radioizotopów w poszczególnych warstwach Ziemi oraz różną całkowitą ilość produkowanego ciepła. Weryfikacja modeli jest bardzo trudna ze względu na dostęp tylko do skorupy oraz górnych warstw płaszcza ziemskiego. Duże nadzieje wiąże się z antyneutrinami. Równie ważne jak oszacowania koncentracji pierwiastków w poszczególnych warstwach są ich niepewności (duży rozrzut oszacowań modelowych). Źródła informacji o składzie chemicznym: - odwierty (skorupa) - materiał wulkaniczny (górny płaszcz) - meteoryty („pierwotny” skład) - analiza widm słonecznych B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

7 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Model Chondryczny Najprostszy model, w którym globalny skład chemiczny Ziemi odpowiada obserwowanemu dla najstarszych meteorytów chondrycznych (CI): a Th /a U = 3.8 a K /a U = 7  10 4 a Si /a U = 1.4  10 7 M = 5.97  10 24 kg M Si  15 % M M U = 0.65  10 17 kg M Th = 2.48  10 17 kg M K = 4.57  10 21 kg H Rad = 30 TW (75 % H ) C U = 6 ppb B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

8 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Model BSE Model BSE (Bulk Silicate Earth) przewiduje skład pierwotnego płaszcza Ziemi – przed wyodrębnieniem skorupy. Punktem wyjścia jest skład meteorytów chondrycznych. Skład chemiczny obecnego płaszcza otrzymuje się poprzez uwzględnienie składu skorupy (mierzony), oraz zachodzących procesów geofizycznych/geochemicznych. Na podstawie wiedzy z zakresu geofizyki i obserwacji sejsmicznych zakłada się, iż jądro zawiera bardzo niewiele U/Th. a Th /a U = 3.9 a K /a U = 1  10 4 (!) a Si /a U = 1.4  10 7 M = 5.97  10 24 kg M U = 0.65  10 17 kg H Rad  20 TW (50 % H ) C U = 10 ppb B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

9 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Model FR (MR) Model Maximal/Fully Radiogenic Earth (FR) zakłada produkcję ciepła tylko poprzez reakcje rozpadów promieniotwórczych. Stosunek U/Th jest określony na podstawie składu meteorytów CI. Wartość stosunku K/U przyjmuje się zgodnie z wartościami obserwowanymi na Ziemi. Koncentracje przeskalowywuje się tak, aby otrzymać H Rad = H Koncentracja uranu w płaszczu: C U  30 ppb W zmodyfikowanym modelu FR dopuszcza się ponadto brak udziału K w produkcji ciepła. Koncentracja uranu w płaszczu: C U  40 ppb Rozważa się także model, w którym U/Th/K zawarty jest tylko w skorupie ziemskiej (Minimal Radiogenic, abundancje mierzone bezpośrednio). B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

10 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Porównanie przewidywań różnych modeli [M] = 10 17 kg [H] = 10 12 W [L ] = 10 24 s -1 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

11 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 [M] = 10 17 kg [  ] = 10 6 cm -2 s -1 Porównanie przewidywań różnych modeli B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

12 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Georeaktor B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Idea istnienia reaktora w jądrze Ziemi zaproponowana została w latach 90-tych m.in. do wyjaśnienia pola magnetycznego Ziemi. Szacowana moc to 3-10 TW. Inicjalizacja około 4.5  10 9 lat temu, kiedy wzbogace- nie 235 U/ 238 U wynosiło około 30 % Georeaktor jako reaktor powielajcy: ze względu na mały stumień neutronów 239 Pu nie bierze udziału w produkcji energii: Moc reaktora opartego na U szacuje się na około 3- 6 TW, rośnie ona uwzględniając Th. Moc jest zmienna w czasie, co jest wynikiem zatruwania paliwa produktami rozszczepienia. Mogą one być usuwane np. poprzez procesy dyfuzyjne.

13 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Reakcje, w których powstają geoneutrina Naturalna promieniotwórczość Ziemi odpowiada za część generowanej energii, oraz jest źródłem neutrin i atyneutrin 99.5% E = 44 keV E = 1.5 MeV 0.5% Niska energia, mały strumień B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

14 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Geo(anty)neutrina z rozpadu 238 U Szereg 238 U: szereg rozpadów beta generujących antyneutrina. Kanały dla których E > 1.8 MeV i znaczącym prawdopodobieństwie wystąpienia: Dominujący jest rozpad 214 Bi: najwyższa energia oraz największy udział w strumieniu. Dwa przejścia są odpowiedzialne za produkcję  99 % neutrin w szeregu 238 U i około 77 % całkowitego strumienia geoneutrin. B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

15 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Geo(anty)neutrina z rozpadu 232 Th Szereg 232 Th: 5 przejść beta generujących antyneutrina. Kanały dla których E > 1.8 MeV i znaczącym prawdopodobieństwie wystąpienia: Dominującym kanałem jest rozpad 212 Bi Dwa przejścia są odpowiedzialne za produkcję  99 % neutrin w szeregu 238 U i około 21 % całkowitego strumienia geoneutrin. B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

16 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Widmo geoneutrin B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

17 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Widmo geoneutrin Małe znaczenie antyneutrin z szeregu 235 U (niska energia, mały strumień). Duży strumień antyneutrin pochodzących z rozpadu 40 K, niska energia (trudna detekcja). Powyżej 1.8 MeV występują tylko antyneutrina z szeregów 238 U i 232 Th. Dominująca rola szeregu 238 U (wyższe energie i strumień) Oszacowanie całkowitego strumienia geoneutrin: - H = 40 TW pochodzi z rozpadów w seregach U/Th -  E = Q/N  10 MeV L u+Th = H/  E = 2.5  10 25 s -1  pro = L u+Th /S = 2  10 6 cm -2 s -1 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

18 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Model referencyjny Opracowanie modelu referencyjnego dla geoneutrin jest punktem wyjścia do określenia możliwości ich detekcji przez różne detektory (różne lokalizacje). Model referencyjny powinien być oparty o możliwie najdokładniejsze dane geochemiczne/geofizyczne oraz te, dotyczące propagacji neutrin. Dla skorupy ziemskiej koncentracje poszczególnych izotopów wyznaczane są dla siatki 2 o  2 o (200  200 km). Przy obliczaniu sygnału w danym detektorze brana jest także pod uwage lokalna struktura geologiczna (głównie grubość i skład skorupy) oraz rozmieszczenie reaktorów (tło). Punktem wyjścia w konstrukcji modelu referencyjnego jest zazwyczaj model BSE (najbardziej „popularny”). B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

19 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Mapa strumienia geoneutrin Bx LENA KL Hh SNO+ B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

20 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Strumień geoneutrin dla różnych lokalizacji B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie U w skorupie ziemskiej skoncentrowany jest głównie w części kontynentalnej (0.35  10 17 kg). W części oceanicznej skorupy M U = 0.005  10 17 kg. Masa U w płaszczu górnym jest około 6 razy mniejsza niż w skorupie. Płaszcz dolny zawiera prawie tyle samo U co skorupa. Minimalny strumień geoneutrin oczekiwany jest na Hawajach. Są to głównie geoneutrina powstające w płaszczu: 72 %. Maksymalny strumień oczekiwany jest np. w Himalajach: ponad 80 % sygnału pochodzi od skorupy. Dla Kamioki/Gran Sasso stosunek ten jest nieco mniejszy, całkowity strumień geoneutrin jest większy dla Gran Sasso o około 14 %.

21 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Oszacowanie sygnału od geoneutrin Założenia: -  arr =  P    pro  0.57   pro - e + p  e + + n (E th = 1.8 MeV) -   10 -43 cm 2 - f(E > 1.8 MeV) = 0.05 - N p = 10 32 (1-kt dtektor) S =  ·f·  arr ·N p  30 y -1 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

22 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Projekt Detektor (10 32 p) Geoneutrin (zdarzeń /y) Skorupa (zdarzeń/y) Płaszcz (zdarzeń /y) Reaktorowe (zdarzeń /y) KamLAND (skorupa o) 0.3512.59.23.383.7 Borexino (skorupa k) 0.187.65.91.76.2 SNO+ (skorupa k) 0.5730.024.75.335.1 Hanohano (płaszcz) 8.7112.231.380.912.2 Oszacowanie sygnału dla różnych detektorów Przewidywany sygnał od geoneutrin (skorupa/płaszcz) oraz neutrin reaktorowych dla różnych detektorów: Rozrzut szacowanych koncentracji poszczególnych elementów jest duży: a c (U) = (0.91 – 1.8)  10 -6 Przyjmując, że  =  3  dostajemy:  a =  /6 Obliczając strumienie i oczekiwany sygnał dla poszczególnych detektorów otrzynujemy dokładność rzędu 16 % B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

23 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 KamLand – krótka charakterystyka Detektor zaprojektowany do pomiarów antyneutrin reaktorowych, umiejscowiony jest w sąsiedztwie wielu japońskich siłowni. Baza (L) = 180 km. 80 % sygnału pochodzi od reaktorów oddalonych o 140 do 210 km. Detekcja antyneutrin w reakcji (E th = 1.8 MeV) Sfera stalowa (R = 8.5) Det. wewnętrzny 1325 17” PMT’s 554 20” PMT’s 34 % pokrycia Zbiornik szyntylatora (R = 6.5 m) Ciecz buforowa 1000 t B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

24 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 KamLand – pierwszy pomiar geoneutrin (2005) Oczekiwany sygnał (U+Th): 14.9 + 4.0 = 18.9 Oczekiwane tło: 127.4 Zarejestrowano: 152  N geo = E = 837 t·y ＋ 19 － 18 25 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

25 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 KamLand – uaktualnienie danych (2008) E = 2881 t·y N geo = 73  27 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

26 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – pomiar neutrin 7 Be B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

27 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – kolaboracja B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

28 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – możliwości badawcze Obserwacja niskoenergetycznych neutrin słonecznych w czasie rzeczywistym Obserwacja neutrin 7 Be:  10 % całkowitego strumienia Pierwszy pomiar strumienia - 7 Be z dokładnością  5 % (~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  10 6 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 Neutrina z supernowych Geoneutrina B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

29 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Detektor B OREXINO e-e- B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

30 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Tło detektora B OREXINO – założenia Ciekły scyntylator: - U/Th  10 -16 g/g 226 Ra  1 nBq/kg (10 Bq/kg  redukcja o czynnik 10 10 ) - 14 C/ 12 C  10 -18 (10 -12  redukcja o czynnik 10 6 ) - 40 K  10 -18 g/g (10 -12  redukcja o czynnik 10 6 ) - 222 Rn/ 85 Kr/ 39 Ar  1 d/100 t 222 Rn  70 µBq/m 3 (35 atomów/m 3 ) (?00 Bq/m 3  redukcja o czynnik 10 6 ) Zbiornik ciekłego scyntylatora (nylon): - U/Th  10 -12 g/g ~10 µBq/kg (10 Bq/kg  redukcja o czynnik 10 6 ) - D Rn  10 -12 cm 2 /s (10 -8 cm 2 /s  redukcja o czynnik 10 4 ) d l  10 µm (0.7 mm) B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

31 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Uzyskane tło detektora B OREXINO Triger:  15 zdarzeń/s, głównie 14 C Miony w scyntylatorze i buforze: 0.055/s (  5000/d) 14 C: 14 C/ 12 C  2.7·10 -18 222 Rn: opóźniona koincydencja  /α: 214 Bi/ 214 Po, τ = 236  s, 2 zdarzenia/(d·100 ton) → 238 U jest na poziomie (1.6  0.1)·10 -17 g/g. 220 Rn: opóźniona koincydencja  /α: 212 Bi/ 212 Po, τ = 433 ns → 232 Th jest na poziomie (6.8  1.5)·10 -18 g/g 210 Po: 12 zdarzeń/(d·t), znacznie mniej 210 Bi niż 210 Po, 210 Po eliminowany cięciem α/  (Gatti cut) 85 Kr: opóźniona koincydencja  / , 85 Kr/ 85m Rb, τ = 1.46  s, BR = 0.43 %, 85 Kr = (29 ± 14) zdarzeń/(d·100 ton) 210 Bi: brak sygnatury, wolny parametr B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

32 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Tło detektora B OREXINO B = 10 -3 cts/(keV  kg  y) B OREXINO GERDA B = 10 -6 cts/(keV  kg  y) B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

33 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – pomiar antyneutrin E th - brak możliwości rejestracji antyneutrin pochodzących od K B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

34 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – pomiar antyneutrin Oczekiwane widmo pozytronów w detektorze B OREXINO pochodzących od geoneutrin i neutrin reaktorowych. B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

35 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – antyneutrina reaktorowe Oczekiwany sygnał od antyneutrin reaktorowych (baza  1000 km, 97.5 % sygnału pochodzi od 194 reaktorów europejskich): Oszacowanie błędu wyznaczenia strumienia antyneutrin reaktorowych (uwzgl. oscylacje) B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

36 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – tło dla antyneutrin Możliwe źródła tła dla detekcji antyneutrin. Górne granice podane dla 90 % C.L. B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

37 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – oczekiwany sygnał od antyneutrin Selekcja antyneutrin: Q prompt > 400 p.e. 700 p.e. < Q deleyed < 1250 p.e.  R < 1 m 20  s <  t < 1280  s   sym = 0.85  0.01 L.Y.  500 p.e./MeV N g = 100 % N r = 34.7 % 1300 p.e. B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

38 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – uzyskane dane eksperymentalne E (2007 - 2010) = 252.6 ton·y B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

39 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – uzyskane dane eksperymentalne N tot ( ) 21 B tot ( )0.40  0.05 S : B50 : 1 Antyneutrina (E < 8 MeV) N (obserwowane)6 N (oczekiwane, 65.3 % N tot ) 16.3  1.1 / 9.4  0.6 B (oczekiwane) 0.09  0.06 S : B100 : 1 Antyneutrina reaktorowe (3.25 MeV < E < 8 MeV) Hipoteza braku oscylacji wykluczona na poziomie 99.60 % C.L. B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

40 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – uzyskane dane eksperymentalne N r (oczekiwane) 5.0  0.3 N (oberwowane)15 N geo 9.7 B (oczekiwane) 0.31  0.05 S : B20 : 1 Geoneutrina (E < 3.27 MeV) Pełna analiza funkcji wiarygodności daje: B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Hipoteza, iż N geo = 0 odrzucona z prawdop. 99.997 %

41 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – uzyskane dane eksperymentalne B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

42 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO – porówanie wyników z modelami Model/Eksperyment  geo [ev/(100 t·y)] B OREXINO 3.9  1.4 Chondryczny1.9 BSE2.4 FR3.9 MR1.6 Ze względu na znaczne błędy pomiarowe (  36%) oraz modelowe (  16%), nie jest możliwe wskazanie modelu (nie)zgodnego z wynikami eksperymantalnymi. Rejestrowane widmo antyneutrin reaktorowych zgodne jest z tym, wyliczonym teoretycznie. Wyklucza się istnienie georeaktora o mocy powyżej 3 TW na 95 % poziomie ufności. B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie

43 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie B OREXINO vs. KamLand KamLandB OREXINO Objętość czynna408 t78.5 t B tot 9.6 ev/(100 t·y)0.016 ev/(100 t·y)  geo (obserwowany) 3.0 ev/(100 t·y)3.9 ev/(100 t·y)   geo /  geo 0.340.37  geo (BSE,  =100%) 2.4 ev/(100 t·y)  r (obserwowany) 9.6 ev/(100 t·y)4.2 ev/(100 t·y)  geo /  r 0.30.9 B geo 23.1 ev/(100 t·y)0.12 ev/(100 t·y)  geo / B geo 0.120 Porównanie parametrów (tło, rejestrowany sygnał) dla obu detektorów

44 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Planowane projekty KamLand i BOREXINO rejestrują głównie geoneutrina pochodzące ze skorupy ziemskiej. Pomiary dla różnych lokalizacji pomogłyby lepiej zrozumieć strukturę Ziemi. Interesujący byłby pomiar z dominującym sygnałem pochodzącym od płaszcza ziemskiego. Optymalnymi lokalizacjami dla detektorów są tutaj oceany (Hawaje). Optymalnym byłby detektor potrafiący rejestrować kierunek, z którego przychodzą rejestrowane neutrina.

45 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Baksan 5 kt detektor z ciekłym scyntylatorem (typu BOREXINO) dedykowany fizyce neutrin słonecznych, supernowych i geoneutrin. Ze względu na lokalizację (Baksan, 4800 m.w.e.) oczekuje się, iż sygnał pochodzić będzie głównie od skorupy ziemskiej. Oczekiwany sygnał od geoneutrin (BSE): 450 ev/y (KamLand 40 ev/y, Bx: 4 ev/y), georeaktora: 150 – 550 ev/y

46 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie LENA – Low Energy Neutrino Astronomy 50 kt detektor z ciekłym scyntylatorem dedykowany fizyce neutrin słonecznych, supernowych, geoneutrin. Ze względu na lokalizację (Pyhasalmi, Finlandia, 4060 m.w.e.) oczkuje się, iż około 80 % sygnału pochodzić będzie od skorupy ziemskiej. Oczekiwany sygnał od geoneutrin (BSE): 800 – 1200 ev/y (KamLand 40 ev/y, Bx: 4 ev/y). Planowany start w 2020 roku.

47 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie SNO+ Zmodyfikowany detektor SNO wykorzystujący ciekły scyntylator (1000 t) ładowany Nd (1 %). Dedykowany fizyce neutrin słonecznych, supernowych, geoneutrin, podwójnego rozpadu beta ( 150 Nd). Ze względu na lokalizację oczkuje się, iż około 80 % sygnału pochodzić będzie od skorupy ziemskiej. Oczekiwany sygnał od geoneutrin (BSE): 44 ev/y, od neutrin reaktorowych 38 ev/y (KamLand: 40/142 ev/y) Planowany start w 2010 roku.

48 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Hanohano Hawaii Anti-Neutrino Observatory Nowa inicjatywa na Hawajach Głównymi celami są: –Pomiar geoneutrin U/Th z płaszcza Ziemi (70 % sygnału!) –Test hipotezy o georeaktorze Metodologia: –Zanurzony detektor typu KamLand (x 10) na około 4-5 km w oceanie w pobliżu Hawajów, rejestracja sygnału przez rok N (płaszcz)  80 B tot (inne)  50

49 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Geoneutrina pozwalają na badanie wewnętrznej struktury Ziemi (skład chemiczny) oraz weryfikację różnych modeli. Możliwości detekcji geoneutrin zostały potwierdzone przez dwa eksperymenty rejestrujące ich wyraźny sygnał (KamLand, B OREXINO ). Planowana jest budowa szeregu nowych detektorów w różnych lokalizacjach. B OREXINO planuje dalsze pomiary, dla E = 1000 t·y błędy pomiarowe powinny zostać zredukowane o połowę. Na podstawie wyników uzyskanych przez B OREXINO można podać górną granice dla mocy hipotetycznego georeakora, równą 3 TW (95 % C.L.).

50 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 K O N I E C

51 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Budowa Ziemi Dodatkowe

52 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Dodatkowe Abundancje U w modelu referencyjnym

53 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Dodatkowe Strumień geoneutrin U dla różnych lokalizacji

54 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 14 C dominates below 200 keV 210 Po NOT in eq. with 210 Pb External  s and  s B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Dodatkowe B OREXINO – pomiar neutrin słonecznych keV Counts

55 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Dodatkowe B OREXINO – pomiar neutrin słonecznych

56 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 Bx : (49 ± 3 stat ± 4 syst ) /(d100 t) SMS : ( SMS : (74 ± 4) /(d100 t) SMS+MSW(LMA): (48 SMS+MSW(LMA): (48 ± 4) /(d100 t) B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Dodatkowe B OREXINO – pomiar neutrin słonecznych

57 Seminarium Fizyki Wielkich Energii, Uniwersytet Warszawski, 30.04.2010 B OREXINO Geoneutrina KamLand Modele Ziemi Nowe projekty Podsumowanie Dodatkowe B OREXINO – pomiar neutrin z supernowych Kanał reakcjiN zdarzeń Odwrotny rozpad beta ( - e ) ~80 12 C(, ’) 12 C* (E  = 15.1 MeV) ~23 NC 12 C( e,e - ) 12 N 12 C( - e,e + ) 12 B ~4 CC (,p) – ES E p >250 keV ~50 Galaktyczna Supernowa: 10 kpc 310 53 ergów