borexino: статус и перспективы
DESCRIPTION
Borexino: статус и перспективы. Олег Смирнов ( ЛЯП ОИЯИ ). Марковские чтения. 13 Мая , 2011. БОРЕКСИНО : детектор. 3 00 т жидкого органического сцинтиллятора PC + PPO(1.5 г / л ) регистрация ( ν ,e)- рассеяния с порогом 220 кэВ. 13.7m. 18m. - Borexino goal, 5%. Borexino. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Borexino:статус и перспективы
Олег Смирнов(ЛЯП ОИЯИ)
Марковские чтения. 13 Мая, 2011
БОРЕКСИНО: детектор
18m
13.7m
•300 т жидкого органического
сцинтиллятора PC + PPO(1.5 г/л)
•регистрация (ν,e)-рассеяния с порогом
220 кэВ
- Borexino goal, 5%
50 соб/день/100 тонн (упругое рассеяние νe и vμ на e-)
Низкая энергиянет Черенковского изл. нет чувствительности к направлениюНет других меток требуется чрезвычайно чистый сцинтиллятор
Borexino
“Graded shielding” (слоистая защита)
Нейтроны и внешние гамма(слой сверхчистой воды, 2.15 м, 2400 тонн)
γ от конструкционных материалов(внешний слой сцинтиллятора, 1.25 м или 200 т)
Доверительный объем(3 м, 100 т)
γ от конструкционных материалов(PC буфер, 700 тонн, 2.5 м)
Космические мюоны(подземная лабораторияLNGS:
3200 м.в.э.)
Требуетсяреконструкция координат
Чи
стота испол
ьзуемы
х матери
алов
Чистота жидкого сцинтиллятора в Borexino:
Background Typical abundance
(source)
Borexino
goals
Borexino
measured
14C / 12C [g/g] 10-12 (cosmogenic) 10-18 2·10-18
238U [g/g]
(by 214Bi-214Po)
2·10-5 (dust) 10-16
(1 μBq / t)
(1.6±0.1)·10-17
232Th [g/g]
(by 212Bi-212Po)
2·10-5 (dust) 10-16 (5±1)· 10-18
222Rn (238U) [g/g]
(by 214Bi-214Po)
100 atoms/cm3 (air)
(emanation from materials)
10-16 10-17
( 1 cpd/100 ton)
40K [g/g] 2·10-6 (dust) 10-18 <3·10-18 (90%)
210Po[cpd / t] (surface contamination) 10-2 70 (initial, T1/2=134 d;
not in equilibrium with parent 210Bi);
<5 after 2 yr
85Kr [cpd / 100 t] 1 Bq/m3 (air) 1 30±5 cpd/100t
39Ar [cpd / 100 t] 17 mBq/m3(air) 1 <<85Kr
• геонейтрино- антинейтрино от β- распадов долгоживущих изотопов (уран-238 , торий-232 и др.), присутствующих в коре и мантии Земли, ожидамый поток нейтрино на поверхности Земли ~106 с-1см-2.
• Полный тепловой поток от Земли составляет 30-45 ТВт (по результатам измерений). Считается, что основной вклад в тепло Земли дают именно распады радиоактивных элементов.
• Радиогенное тепло связано с количеством антинейтрино. Общепринятые модели (основанные на изучении состава метеоритов и измерении состава земной коры) предсказывают радиогенный вклад в полное тепло Земли около 19 ТВт (сопоставимо с годовым производством энергии человечеством).
• Высказывалост также предположение о существовании в центре Земли естественного ядерного реактора с мощностью 3-6 TВт. Такой реактор обеспечивал бы энергией источник магнитного поля Земли, давал недостающее тепло, и объяснял “высокое” отношение потоков 3He/4He у земли.
• Детектор Borexino с достоверностью 99,997% зарегистрировал геонейтрино (общим числом около 10 событий). Характеристики нейтринного сигнала исключают наличие в ядре Земли природного ядерного реактора мощностью более 3 ТВт с достоверностью 90%.
Радиогенный вклад в полное
тепло?
Что скрыто в ядре (геореактор, 40K)?
Концентрация U/Th в коре?
Совместима ли стандартная
геохимическая модель (BSE) с
геонейтринными измерениями?
Концентрация U/Th в мантии?
Наблюдение геонейтрино
Естественная радиоактивность Земли : открытые вопросы)2.2(
s250
MeVdpn
nepe
История
G. Marx, N. Menyard Mitteilungen der Sternwarte, Budapest, 48 (1960)
Первая оценка потоков геонейтрино от U,Th и K.
М.А.Марков “Нейтрино”, М., Наука, 1964:
Впервые предложил использовать реакцию обратного бета- распада для регистрации геонейтрино.
“В далекой перспективе может быть целесообразен эксперимент, уточняющий верхнюю границу антинейтринной активности Земли. Это, видимо, единственная возможность получения соответствующей информации о составе вещества в глубинных слоях Земли.”
Два детектора чувствительны к геонейтрино
Borexino: 300 т ЖС (3500 м.в.э.) KamLAND: 1000 т ЖС (2700 м.в.э.)
ЖС детекторы большого под землей
Источники фона1)Реакторные антинейтрино (81% полного
потока нейтрино в геонейтринном окне KamLAND [0.9-2.6 MeV] и только ~36% для Borexino): отношение Geo/Reactor 0.23 для KL vs 1.8 для Borexino;
2)Космические мюоны космогенные (βn)-изотопы (в LNGS мюонный поток в 7 раз меньше, чем в Kamioka) и др.
3)Внутренняя радиоактивность ЖС: случайные совпадения, (αn) реакции (в Borexino чистота сцинтиллятора на 3-4 порядка лучше; KamLAND пытается очистить ЖС – фактор 20 по (αn) уже достигнут);
Фон для двух ЖС детекторов Source Borexino [ev/(kton-year)] KamLAND [ev/(kton yr)]
Cosmogenic 9Li and 8He 0.3 ± 0.2 0.48 ± 0.025 ( 9Li )Fast neutrons from μ in Water Tank < 0.1 (measured)
<0.7Fast neutrons from μ in rock < 0.4 (MC)
Non-identified muons 0.11 ± 0.01
Accidental coincidences 0.80 ± 0.01 18.76± 0.025Time correlated background < 0.26
(γ,n) reactions < 0.003Spontaneous fission in PMTs 0.030 ± 0.003
(α,n) reactions in the scintillator [210Po] 0.14 ± 0.01 40.1 ± 4.4
(α,n) reactions in the buffer [210Po] < 0.61
TOTAL 1.4 ± 0.2
SIGNAL (measured) 39+16-13 (with 0.2526 kt yr) 25.7+7.0
-6.8 (with 4.126 kt yr)
Borexino - 2010
68% (99.73%)
Unbinned max. likelihood fit of data
Присутствие геонейтринного сигнала подтверждено на уровне 99.997%
G. Bellini et al., PLB 687 (2010) 299-304.
Signal evidence at 4.2
отношение U/Th фиксировано (3.9)
Гипотеза отсутствия осцилляций для реакторных антинейтрино на базе 1000 км отвергается с у.д.
99.60%
Сравнение результатов с моделью
fully radiogenic model
minimal radiogenic model
Fully radiogenic model: Полностью радиогенное происхождение тепла –
максимальный поток нейтриноK/U фиксирован на значении для Земли, Th/U – на хондритовом значении (совместимом с Земным). Распространенность элементов
пропорционально увеличена, чтобы обеспечить полный поток в 40 TВт.
Minimal radiogenic model: Принимаются в расчет только вклады от коры и верхней мантии (т.е. там где концентрация U и Th достаточно хорошо изучена), вклады от
остальных областей обнуляются – минимальный поток нейтрино
Есть ли геореактор в центе Земли?
• Borexino установил верхний предел на мощность геореактра в предположении геонейтриноого спектра от
ядерного реактора с композицией 235U : 238U 0.75 : 0.25:
Pgeo<3 TW at 95% C.L.
сравнивая число ожидаемых (reactors + geo-reactor и фон) и наблюдаемых событий measured в реакторном окне энергий.
• KamLAND
Pgeo<6.2 TW at 90% C.L.• Независимый анализ E.Lisi et al. (hep-ph/1006.1113) 95% C.L.:
Есть ли электронные антинейтрино от Солнца?
Верхние пределы на неизвестные потоки
антинейтрино:
1 – Borexino 2 – SuperKamiokaNDE
3 – SNO
(для установления пределов исп. мин.радиогенная
модель)
G.Bellini et al., Borexino collaboration, Physics Letters B 696 (2011) 191–196“Study of solar and other unknown anti-neutrino fluxes with Borexino at LNGS”
Отбор данных
Экспериментальный спектр Борексино
Первые результаты Борексино
“First real time detection of 7Be solar neutrinos by Borexino” Physics Letters B 658 (2008) 101–108
Гипотеза отсутствия 7Be нейтрино не согласуется с данными на уровне 5.3σ
“Direct Measurement of the 7Be Solar Neutrino Flux with 192 Days of Borexino Data” PRL 101, 091302 (2008).
49±3stat±4syst cpd/100 t
Fit to the spectrum with -subtraction gives consistent results
Main source of systematic uncertainty in this measurent is error in FV definition (significantly reduced after position
reconstruction code tuning using calibration data).
ВэВ
m
1102.3 19
С теоретической точки зрения магнитный момент безмассового дираковского нейтрино должен равняться нулю точно так же, как и м.м. майорановского нейтрино, массивного или безмассового. Массивное дираковское нейтрино должно обладать небольшим м.м.:
Магнитный момент нейтрино
2
2
222
12
E
Tmgg
E
Tgg
mG
dT
d eRLRL
eF
W
ETmdT
d
e
em
EM
112
22
“плоское”
1/T
m.m. can be searched for by studying the deviations from the weak shape
Предел на эффективный момент солнечных нейтрино
• на 192 днях статистики получен новый предел на м.м. солнечных нейтрино:
µeff<5.4·10-11 µB 90% у.д. • Полученный предел не зависит ни от точности определения активного
объема сцинтиллятора, ни от параметров осцилляций, ни от абсолютной величины потока солнечных нейтрино, так как результат определяется исключительно формой спектра.
• Лучший предел предел для м.м. электронного антинейтрино получен в измерениях с 1.5 кг Ge детектором на Калининской АЭС, в эксперименте GEMMA (arXiv:0906.1926):
µ<3.2·10-11 µB • Для флэйворных компонент можно записать [D.Montanino et al. PRD 77, 093011
(2008)]:
)sin)(cos1()( 223
2223
222 eeeeeMSWeff PP
где Pee - вероятность выживания электронных нейтрино при E=0.863 МэВ, sin2θ23=0.5+0.07
-0.06
Новые пределы на м.м. μ и τ нейтрино
• Существующие пределы на м.м.:• μe < 3.2×10-11 μB by GEMMA (elastic scattering)• μμ < 68×10-11 μB by LSND (elastic scattering)• μτ < 39000×10-11 μB by DONUT (elastic scattering)
1210 11B 12.510 11B
Используя ограничения на м.м. μνe из из эксперимента Gemma:
Измерение потока 8B нейтрино Measurement of the solar 8B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the Borexino detector Borexino coll. Phys.Rev.D82 (2010) 033006
E>3 MeV:0.22±0.04(stat)±0.01(syst) cpd/100 tE>5 MeV:0.13±0.02(stat)±0.01(syst) cpd/100 t
Борексино – первый жидкосцинтилляционный детектор, чувствительный к борным нейтрино!
“Precision measurement of the 7Be solar neutrino interaction rate in
Borexino” arXiv:1104.1816v1 [hep-ex] 10 Apr 2011
46±1.5(stat)+1.6-1.5(syst) cpd/100t
740.66 дней живого временеи
Сравнение с теорией
Солнечная модель (High Z) в отсутствие осцилляций: 74±5 cpd/100 tφ(7Be) = (5.00±0.35)109 см-2с-1.
В сценарии МСВ-LMA: 47.3 ± 3.4 cpd/100 tСоответствующий наблюдаемый поток при этом
φ(7Be) = (4.87 ± 0.24)109 см-2с-1 (f(7Be) = 1.008 +0.003-0.016)
Гипотеза отсутствия осцилляций (Pee=1) отвергается на у.д. 4.9 σ
В предположении ограничений на светимость солнца получены потоки:φ(pp)=(6.02 + 0.02 – 0.09) 1010 см-2с-1 (f(pp) = 0.97 ± 0.05)
иφ (CNO)<2.3109 см-2с-1 (95% у.д.) <3.0% (95% у.д.). СМС предсказывает
вклад CNO около 0.7%.
46±1.5(stat)+1.6-1.5(syst) cpd/100 t
Борексино измерил вероятность выживания электронных нейтрино
в двух разных энергетических диапазонах
Средняя вероятность выживания для 8B нейтрино в предположении модели BS07(GS98) SSM составляет 0.29±0.10 для эффективной энергии 8.9 МэВ, в согласии с результатами черенковских детекторов.
Pee(0.862)=0.52+0.07-0.06
До SNO
Апрель 2002 SNO
Декабрь 2002KamLAND
Статус МСВ-решения в 2002
CPT?
Регенерация нейтрино в веществе (эффект день-ночь)
МСВ с параметрами LMA для 8B нейтрино предсказывает ~2% асимметрию счета днем и ночью
SNO : 0.037±0.040
SKI: 0.021±0.020 (+0.013 -0.012)
SKII: 0.014±0.049 (+0.025 -0.024)
Экспериментальные данные не позволяют сделать однозначный вывод о наличии асимметрии счета день/ночь из-за малой статистики
Поиск суточных вариаций потока 7Be нейтрино
Функция экспозиции для угла Θz (3 года набора данных) в LNGS (1 deg/bin).
Интервал от -180 до -90 град. соотв. дню
(360.25 дней), интервал от -90 до 0 – ночи (380.63 дней). На
широте ГС Солнце в зенит никогда не
поднимается.
Absence of day/night asymmetry of 862 keV 7Be solar neutrino rate in Borexino andMSW oscillation parameters
arXiv:1104.2150v1 [hep-ex] 12 Apr 2011
Экспериментальные данные
Подгонка (стандартный анализ) отдельно для Д и Н:
A(Д/Н) =R/<R>= 0.007±0.073.
Более чувствительный метод
Предположение постоянного фонаИспользуя
R(7Be) = 46±1.5 (stat) +1.6 -1.5 (syst) cpd/100 tполучаем
Adn = 0.001 ± 0.012 (stat) ± 0.007 (syst)
Анализ параметров нейтринных по данным Борексино
Используются только данные по асимметрии
день/ночь.Заштрихованная область исключена на 99.73% у.д.
В частности, минимальная асимметрия день/ночь,
расчитанная для области LOW составляет 0.117, т.е.
превышает измеренное допустимое на 8.5σ.
Анализ параметров нейтринных осцилляций по данным Борексино
Используются также другие результаты Борексино: поток 7Be и 8B нейтрино (0.217± 0.038(stat)
± 0.008 (syst)) cpd/100 t, и спектральная форма 8B (5 бин от
3 до 13 МэВ).Учтены как экспериментальные
ошибки в измерении потоков (стат. и сист. в квадратуре), так и
теоретические ошибки предсказания потоков солнечных нейтрино, включая корелляцию
потоков 7Be и 8B нейтрино Исп. последние расчеты в
модели High Z (A. Serenelli, W. Haxton, and C. Pe~na-Garay,arXiv:1104.1639v1 [astro-ph]).
Глобальный анализДанные
радиохимических экспериментов, Super-
Kamiokandephase I и III, SNO LETA и phase III. 68.27, 95.45
и 99.73% у.д. допустимые области
параметров. LMA (m2 = 5.3 10-5 eV2 и tan2Θ
=0.47)Часть области LOW
допустима χ2= 11.83.
С учетом данных Борексино LMA слегка
изменяется (m2 = 5.3 10-5 eV2 и tan2Θ =0.46),
но область LOW исключена χ2>190.
Mass varying neutrino flavor conversion.
Для параметров, выбранных для подгонки в статье P. C. de Holanda, JCAP 0907, 024 (2009), отсутствие асимметрии день/ночь исключает этот механизм на у.д. > 20 σ
Основные достижения на сегодня
1.Продемонстрирована возможность глубокой очистки жидкого органического сцинтиллятора в масштабе сотен тонн
2.Измерен поток солнечных 7Be нейтрино с точностью 4.8% (цель-5%). Таким образом, Борексино впервые протестировал нейтринные осцилляции в до сих пор не исследованном вакуумном режиме, подтвердив механизм нейтиринных осцилляций МСВ с параметрами LMA
3.Установлено отсутствие суточных вариаций потока 7Be нейтрино на уровне 1%. Область параметров LOW исключена на у.д. >8.5σ без использования антинейтринных данных детектора Kamland, то есть в отсутствие предположения CPT инвариантности в нейтринном секторе.
4.Установлены новые пределы на эффективний магнитный момент солнечных нейтрино
5.Продемонстрирована возможность использования жидкого органического сцинтиллятора для детектирования 8B нейтрино. Определен поток нейтрино от 8B (15%)
6.Подтверждено существование геонейтрино на уровне 4.2σ (99.997%); Точность измерений сигнала U+Th пока что невысока: ~40% , и для свободного отношения U/Th точность измерения R(U) и R(Th) еще хуже
7.С помощью CTF и Борексино установлен ряд пределов на редкие процессы (время жизни электрона по отношению к распаду νe+γ;
Перспективы• 7Be достигнута 5% точность измерения, но желательная 3% точность
(для калибровки при измерения потока “pp”, для улучшения точности солнечных моделей). Для этого требуется доочистка сцинтиллятора от 85Kr и 210Bi. Сейчас проводится отработка новых методик.
• 8B – результат может быть улучшен в 2 раза при наборе большей статистики. Другая возможность – использование большего доверительного объема.
• Сезонные вариации (±3.5%)
• Изучается возможность измерения (ограничения) потока CNO (зависит от подавления фона, связанного с космическими мюонами)
• Возможно измерение потока pp-нейтрино с точностью около 15% на годовой статистике (наложение сигналов от 14C )
• На большей статистике будет улучшено измерение потока геонейтрино и реактрных антинейтрино.
Потенциал Borexino по регистрации нейтрино от вспышек сверхновых
Detection channel Expected number of events in 300 t LS for standard SN @ 10kpc
ES(E > 0.25 MeV)
5
Electron anti-neutrinos(E > 1.8 MeV)
78
-p ES (E > 0.25 MeV)
52
12C()12C* (E = 15.1 MeV)
18
12C(anti-,e+)12B(Eanti- > 14.3 MeV)
3
12C(,e-)12N(E > 17.3 MeV)
9
Borexino включен в сеть SNEWS (Super Nova Early Warning System)
Поиск осцилляций на базе ~1 м (стерильные нейтрино) с искусственным источником
нейтрино