Wyniki eksperymentu BOREXINO po 192 dniach pomiarów

Prezentacja na temat: "Wyniki eksperymentu BOREXINO po 192 dniach pomiarów"— Zapis prezentacji:

1 Wyniki eksperymentu BOREXINO po 192 dniach pomiarów
Marcin Wójcik Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński Warszawa, 28 listopada 2008

2 Zagadnienia Słońce jako źródło neutrin Potencjał poznawczy BOREXINO
Detektor BOREXINO Analiza sygnału Aktualny wynik pomiaru strumienia neutrin 7Be i 8B Warszawa, 28 listopada 2008

3 Słońce jako źródło neutrin
Założenia SMS: - Równowaga termiczna i hydro- statyczna - Radiacyjny transport energii - Termojądrowe źródło energii Obserwable: Masa: 1030 kg Wiek: 109 lat Promień: 6.96108 m Moc: 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

4 Termojądrowe źródło energii
Cykl pp Cykl CNO

5 Widmo neutrin słonecznych

6 BOREXINO: kolaboracja

7 BOREXINO: lokalizacja (LNGS)

8 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

9 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

10 Pee przed BOREXINO

11 Neutrina CNO a metaliczność

12 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

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

14 BOREXINO: fizyka geoneutrin
Oczekiwane widmo (cpy) KamLAND: Nature 436 (2005)

15 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!

16 BOREXINO: budowa detektora
Detekcja elastycznego rozpraszania neutrin na elektronach.

17 Ciekły scyntylator PC + PPO

18 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

19 BOREXINO: fazy napełniania
Detektor napełniony scyntylatorem Detektor napełniony ultra-czystą wodą Detektor napełniony ultra-czystym azotem Napełnianie zakończono , 11:25

20 Zagadnienia Słońce jako źródło neutrin Wyni Detektor BOREXINO
Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Aktualny wynik pomiaru strumienia neutrin 7Be

21 Niskie tło jest kluczowe
Oczyszczanie scyntylatora: Ekstrakcja wodna Destylacja próżniowa (80 mbar, oC) „Przepłukiwanie” ultra-czystym azotem Filtrowanie Ultra-czysty N2: 222Rn < 7 Bq/m3 LN2 produkowany we współpracy z fizykami Ar < 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

22 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 Budowa pojemnika scyntylatora (IV) – klasa 100, Princeton Wnętrze stalowej sfery – klasa Szczelność próżniowa detektora i aparatury: <10-8 cm3s-1 bar Aparatura wypełniana HPN / LAKN

23 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

24 Zagadnienia Słońce jako źródło neutrin Detektor BOREXINO
Badanie i dobór materiałów Analiza sygnału Pierwszy wynik pomiaru strumienia neutrin 7Be

25 Akwizycja i struktura danych

26 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

27 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

28 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]

29 Własności detektora

30 BOREXINO: 192 dni pomiarów

31 Analiza widma

32 Sygnał neutrin typu 7Be

33

34 Moment magnetyczny 

35

36 Strumień  8B, E > 2.8 MeV

37 Dyskryminacja -

38 Kalibracja E – specjalne źródła

39 Źródła kalibracyjne Dioda Źródło Obciążnik

40 Urządzenia kalibracyjne

41 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 !!!

42 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