Borexino: статус и перспективы Олег Смирнов (ЛЯП ОИЯИ) Марковские чтения. 13 Мая, 2011. - презентация

1 Borexino: статус и перспективы Олег Смирнов (ЛЯП ОИЯИ) Марковские чтения. 13 Мая, 2011

2

3 БОРЕКСИНО: детектор 18m 13.7m 300 т жидкого органического сцинтиллятора PC + PPO(1.5 г/л) регистрация (ν,e)- рассеяния с порогом 220 кэВ

4 - Borexino goal, 5% 50 соб/день/100 тонн (упругое рассеяние ν e и v μ на e - ) Низкая энергия нет Черенковского изл. нет чувствительности к направлению Нет других меток требуется чрезвычайно чистый сцинтиллятор Borexino

5 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.) Требуется реконструкция координат Чистота используемых материалов

6 Чистота жидкого сцинтиллятора в Borexino: BackgroundTypical abundance (source) Borexino goals Borexino measured 14 C / 12 C [g/g] (cosmogenic) · U [g/g] (by 214 Bi- 214 Po) 2·10 -5 (dust) (1 μBq / t) (1.6±0.1)· Th [g/g] (by 212 Bi- 212 Po) 2·10 -5 (dust) (5±1)· Rn ( 238 U) [g/g] (by 214 Bi- 214 Po) 100 atoms/cm 3 (air) (emanation from materials) ( 1 cpd/100 ton) 40 K [g/g]2·10 -6 (dust)

7 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 ~10 6 с -1 см -2. Полный тепловой поток от Земли составляет 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 3 He/ 4 He 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, 40 K)? 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

8 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.

9 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

10 Источники фона 1)Реакторные антинейтрино (81% полного потока нейтрино в геонейтринном окне KamLAND [ 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);

11 Фон для двух ЖС детекторов SourceBorexino [ev/(kton-year)]KamLAND [ev/(kton yr)] Cosmogenic 9 Li and 8 He 0.3 ± ± ( 9 Li ) Fast neutrons from μ in Water Tank < 0.1 (measured)

12 Borexino % (99.73%) Unbinned max. likelihood fit of data Присутствие геонейтринного сигнала подтверждено на уровне % G. Bellini et al., PLB 687 (2010) 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 %

13 Сравнение результатов с моделью fully radiogenic model minimal radiogenic model 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

14 Есть ли геореактор в центе Земли? Borexino установил верхний предел на мощность геореактра в предположении геонейтриноого спектра от ядерного реактора с композицией 235 U : 238 U 0.75 : 0.25 : P geo

15 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

16 Отбор данных

17 Экспериментальный спектр Борексино

18 Первые результаты Борексино First real time detection of 7Be solar neutrinos by Borexino Physics Letters B 658 (2008) 101–108 Гипотеза отсутствия 7 Be нейтрино не согласуется с данными на уровне 5.3σ

19 Direct Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Flux with 192 Days of Borexino Data PRL 101, (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).

20 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 плоское 1/T m.m. can be searched for by studying the deviations from the weak shape

21 Предел на эффективный момент солнечных нейтрино на 192 днях статистики получен новый предел на м.м. солнечных нейтрино: µ eff

22 Новые пределы на м.м. μ и τ нейтрино Существующие пределы на м.м.: μ e < 3.2× μ B by GEMMA (elastic scattering) μ μ < 68× μ B by LSND (elastic scattering) μ τ < 39000× μ B by DONUT (elastic scattering) Используя ограничения на м.м. μ νe из из эксперимента Gemma:

23 Измерение потока 8 B нейтрино Measurement of the solar 8 B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the Borexino detector Borexino coll. Phys.Rev.D82 (2010) 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!

24

25 Precision measurement of the 7 Be solar neutrino interaction rate in Borexino arXiv: v1 [hep-ex] 10 Apr ±1.5(stat) (syst) cpd/100t дней живого временеи

26 Сравнение с теорией Солнечная модель (High Z) в отсутствие осцилляций: 74±5 cpd/100 t φ( 7 Be) = (5.00±0.35) 10 9 см -2 с -1. В сценарии МСВ-LMA: 47.3 ± 3.4 cpd/100 t Соответствующий наблюдаемый поток при этом φ( 7 Be) = (4.87 ± 0.24) 10 9 см -2 с -1 (f( 7 Be) = ) Гипотеза отсутствия осцилляций (Pee=1) отвергается на у.д. 4.9 σ В предположении ограничений на светимость солнца получены потоки: φ(pp)=( – 0.09 ) см -2 с -1 (f(pp) = 0.97 ± 0.05) и φ (CNO)

27 Борексино измерил вероятность выживания электронных нейтрино в двух разных энергетических диапазонах Средняя вероятность выживания для 8 B 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)=

28 До SNO Апрель 2002 SNO Декабрь 2002 KamLAND Статус МСВ-решения в 2002 CPT ?

29 Регенерация нейтрино в веществе (эффект день-ночь) МСВ с параметрами LMA для 8 B нейтрино предсказывает ~2% асимметрию счета днем и ночью SNO : 0.037±0.040 SKI: 0.021±0.020 ( ) SKII: 0.014±0.049 ( ) Экспериментальные данные не позволяют сделать однозначный вывод о наличии асимметрии счета день/ночь из-за малой статистики

30 Поиск суточных вариаций потока 7 Be нейтрино Функция экспозиции для угла Θz (3 года набора данных) в LNGS (1 deg/bin). Интервал от -180 до - 90 град. соотв. дню ( дней), интервал от -90 до 0 – ночи ( 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: v1 [hep-ex] 12 Apr 2011

31 Экспериментальные данные Подгонка (стандартный анализ) отдельно для Д и Н: A(Д/Н) = R/ = 0.007±0.073.

32 Более чувствительный метод Предположение постоянного фона Используя R( 7 Be) = 46±1.5 (stat) (syst) cpd/100 t получаем Adn = ± (stat) ± (syst)

33 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.

34 Анализ параметров нейтринных осцилляций по данным Борексино Используются также другие результаты Борексино: поток 7 Be и 8 B нейтрино (0.217± 0.038(stat)± (syst)) cpd/100 t, и спектральная форма 8 B (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 7 Be и 8 B нейтрино Исп. последние расчеты в модели High Z (A. Serenelli, W. Haxton, and C. Pe~na-Garay, arXiv: v1 [astro-ph]).

35 Глобальный анализ Данные радиохимических экспериментов, Super- Kamiokande phase I и III, SNO LETA и phase III , и 99.73% у.д. допустимые области параметров. LMA ( m 2 = eV 2 и tan 2 Θ =0.47) Часть области LOW допустима χ 2 = С учетом данных Борексино LMA слегка изменяется ( m2 = eV 2 и tan 2 Θ =0.46), но область LOW исключена χ 2 >190.

36 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

37

38 Основные достижения на сегодня 1.Продемонстрирована возможность глубокой очистки жидкого органического сцинтиллятора в масштабе сотен тонн 2.Измерен поток солнечных 7 Be 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 7 Be 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 8 B нейтрино. Определен поток нейтрино от 8 B (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;

39 Перспективы 7 Be 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 85 Kr и 210 Bi. Сейчас проводится отработка новых методик. 8 B – 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 14 C ) На большей статистике будет улучшено измерение потока геонейтрино и реактрных антинейтрино.

40 Потенциал Borexino по регистрации нейтрино от вспышек сверхновых Detection channelExpected number of events in 300 t LS for standard 10kpc ES (E > 0.25 MeV) 5 Electron anti- neutrinos (E > 1.8 MeV) 78 -p ES (E > 0.25 MeV) C( ) 12 C* (E = 15.1 MeV) C(anti-,e +)12 B (E anti- > 14.3 MeV) 3 12 C(,e-) 12 N (E > 17.3 MeV) 9 Borexino включен в сеть SNEWS (Super Nova Early Warning System)

41 Поиск осцилляций на базе ~1 м (стерильные нейтрино) с искусственным источником нейтрино