Эксперимент BOREXINO

Borexino:
статус и перспективы
Олег Смирнов
(ЛЯП ОИЯИ)
Марковские чтения. 13 Мая, 2011
БОРЕКСИНО: детектор
•300 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
50 соб/день/100 тонн (упругое рассеяние νe и vμ на e-)
Низкая энергиянет Черенковского изл. нет чувствительности к направлению
Нет других меток требуется чрезвычайно чистый сцинтиллятор
“Graded shielding” (слоистая защита)
Космические мюоны
(подземная лабораторияLNGS:
3200 м.в.э.)
Чистота используемых материалов
Нейтроны и внешние гамма
(слой сверхчистой воды, 2.15 м, 2400 тонн)
γ от конструкционных материалов
(PC буфер, 700 тонн, 2.5 м)
γ от конструкционных материалов
(внешний слой сцинтиллятора, 1.25 м или 200 т)
Доверительный объем
(3 м, 100 т)
Требуется
реконструкция
координат
Чистота жидкого
сцинтиллятора в Borexino:
Background
Typical abundance
(source)
Borexino
goals
Borexino
measured
14C
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
2·10-6 (dust)
10-18
<3·10-18 (90%)
(surface contamination)
10-2
70 (initial, T1/2=134 d;
/ 12C [g/g]
[g/g]
210Po[cpd
/ t]
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
Наблюдение геонейтрино
•
•
•
•
•
геонейтриноантинейтрино 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%.

 e  p  e  n
  250s
n  p  d   (2.2MeV )
Естественная радиоактивность Земли :
открытые вопросы
Радиогенный
Что скрыто в ядре
вклад в полное
(геореактор, 40K)?
тепло?
Совместима ли
Концентрация
стандартная
U/Th в коре?
геохимическая
модель (BSE) с
Концентрация
геонейтринными
U/Th в мантии?
измерениями?
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
ЖС детекторы большого
под землей
Borexino: 300 т ЖС (3500 м.в.э.)
KamLAND: 1000 т ЖС (2700 м.в.э.)
Источники фона
1)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
Cosmogenic 9Li and 8He
Borexino [ev/(kton-year)]
KamLAND [ev/(kton yr)]
0.3 ± 0.2
0.48 ± 0.025 ( 9Li )
Fast neutrons from μ in
Water Tank
< 0.1 (measured)
Fast neutrons from μ in
rock
< 0.4 (MC)
Non-identified muons
0.11 ± 0.01
Accidental coincidences
0.80 ± 0.01
Time correlated
background
(γ,n) reactions
Spontaneous fission in
PMTs
<0.7
< 0.26
< 0.003
0.030 ± 0.003
(α,n) reactions in the
scintillator [210Po]
0.14 ± 0.01
(α,n) reactions in the
buffer [210Po]
< 0.61
TOTAL
SIGNAL (measured)
18.76± 0.025
40.1 ± 4.4
1.4 ± 0.2
39+16-13 (with 0.2526 kt yr)
25.7+7.0-6.8 (with 4.126 kt yr)
Borexino - 2010
Unbinned max. likelihood fit of data
68% (99.73%)
Гипотеза отсутствия осцилляций для реакторных
антинейтрино на базе 1000 км отвергается с у.д. 99.60%
Signal evidence at
4.2s
Присутствие геонейтринного сигнала
подтверждено на уровне 99.997%
отношение U/Th фиксировано (3.9)
G. Bellini et al., PLB 687 (2010) 299-304.
Сравнение результатов с моделью
Fully radiogenic model: Полностью
радиогенное происхождение тепла –
максимальный поток нейтрино
K/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
fully radiogenic model
minimal radiogenic model
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
Main source of systematic uncertainty in this
measurent is error in FV definition
(significantly reduced after position
reconstruction code tuning using calibration
data).
Fit to the spectrum with a-subtraction
gives consistent results
Магнитный момент нейтрино
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.:
  3.2  10
19
 m 

 В
 1эВ 
m.m. can be searched for by studying the deviations
from the weak shape
2
2
G
d
s


F me
“плоское” 



 dT W
1/T


T
 g L2  g R2 1 

 E
2

meT 
  g L g R 2 
E 


2
1 
 ds 
2 aem  1
  

  
2 
me  T E 
 dT  EM
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)]:
(eff2 ) MSW  Pee e2  (1  Pee )(cos 2  23 2  sin 2  232 )
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
Используя ограничения на м.м. μνe из из эксперимента Gemma:
  12 10 B
11
  12.5 1011B
• 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)
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 t
E>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
46±1.5(stat)+1.6-1.5(syst) cpd/100 t
Солнечная модель (High Z) в отсутствие осцилляций: 74±5 cpd/100 t
φ(7Be) = (5.00±0.35)109 см-2с-1.
В сценарии МСВ-LMA: 47.3 ± 3.4 cpd/100 t
Соответствующий 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)
и
φ (CNO)<2.3109 см-2с-1 (95% у.д.)  <3.0% (95% у.д.). СМС предсказывает
вклад CNO около 0.7%.
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
Статус МСВ-решения в 2002
До SNO
Апрель
2002 SNO
Декабрь 2002
KamLAND
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 and
MSW 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 фона
Используя
R(7Be) = 46±1.5 (stat) +1.6 -1.5 (syst) cpd/100 t
получаем
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 анализ
Данные
радиохимических
экспериментов, SuperKamiokande
phase 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
8
органического сцинтиллятора для детектирования B 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 νe+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
•
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.
– результат может быть улучшен в 2 раза при наборе большей
статистики. Другая возможность – использование большего
доверительного объема.
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 antineutrinos
(E > 1.8 MeV)
78
-p ES
(E > 0.25 MeV)
52
12C(,)12C*
18
(E = 15.1 MeV)
12C(anti-,e+)12B
3
(Eanti- > 14.3 MeV)
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