Borexino статус и перспективы Олег Смирнов ЛЯП ОИЯИ

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 кэ. В 13. 7 m 18 m

- 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 лаборатория. LNGS: 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 14 C 10 -12 (cosmogenic) 10 -18 2· 10 -18 238 U [g/g] (by 214 Bi-214 Po) 2· 10 -5 (dust) 10 -16 (1 μBq / t) (1. 6± 0. 1)· 10 -17 232 Th [g/g] (by 212 Bi-212 Po) 2· 10 -5 (dust) 10 -16 (5± 1)· 10 -18 222 Rn (238 U) [g/g] (by 214 Bi-214 Po) 100 atoms/cm 3 (air) (emanation from materials) 10 -16 10 -17 ( 1 cpd/100 ton) 40 K 2· 10 -6 (dust) 10 -18 <3· 10 -18 (90%) (surface contamination) 10 -2 70 (initial, T 1/2=134 d; / 12 C [g/g] 210 Po[cpd / t] not in equilibrium with parent 210 Bi); <5 after 2 yr 85 Kr [cpd / 100 t] 1 Bq/m 3 (air) 1 30± 5 cpd/100 t 39 Ar [cpd / 100 t] 17 m. Bq/m 3(air) 1 <<85 Kr

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-1 см-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 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%. Естественная радиоактивность Земли : открытые вопросы Радиогенный Что скрыто в ядре вклад в полное (геореактор, 40 K)? 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. ) Kam. LAND: 1000 т ЖС (2700 м. в. э. )

Источники фона 1)Реакторные антинейтрино (81% полного потока нейтрино в геонейтринном окне Kam. LAND [0. 9 -2. 6 Me. V] 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; Kam. LAND пытается очистить ЖС – фактор 20 по (αn) уже достигнут);

Фон для двух ЖС детекторов Source Borexino [ev/(kton-year)] Kam. LAND [ev/(kton yr)] Cosmogenic 9 Li and 8 He 0. 3 ± 0. 2 0. 48 ± 0. 025 ( 9 Li ) 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 18. 76± 0. 025 < 0. 26 < 0. 003 0. 030 ± 0. 003 (α, n) reactions in the scintillator [210 Po] 0. 14 ± 0. 01 (α, n) reactions in the buffer [210 Po] < 0. 61 TOTAL SIGNAL (measured) 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. 2 s 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 235 U : 238 U 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. • Kam. LAND 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 – Super. Kamioka. NDE 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 7 Be solar neutrinos by Borexino” Physics Letters B 658 (2008) 101– 108 Гипотеза отсутствия 7 Be нейтрино не согласуется с данными на уровне 5. 3σ

“Direct Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Flux with 192 Days of Borexino Data” PRL 101, 091302 (2008). 49± 3 stat± 4 syst 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. : m. m. can be searched for by studying the deviations from the weak shape “плоское” 1/T

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 для м. м. электронного антинейтрино получен в измерениях с 1. 5 кг Ge детектором на Калининской АЭС, в эксперименте GEMMA (ar. Xiv: 0906. 1926): µ<3. 2· 10 -11 µB Для флэйворных компонент можно записать [D. Montanino et al. PRD 77, 093011 (2008)]: где Pee - вероятность выживания электронных нейтрино при E=0. 863 Мэ. В, sin 2θ 23=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: • • 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 8 B нейтрино Measurement of the solar 8 B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 Me. V energy threshold in the Borexino detector Borexino coll. Phys. Rev. D 82 (2010) 033006 E>3 Me. V: 0. 22± 0. 04(stat)± 0. 01(syst) cpd/100 t E>5 Me. V: 0. 13± 0. 02(stat)± 0. 01(syst) cpd/100 t Борексино – первый жидкосцинтилляционный детектор, чувствительный к борным нейтрино!

“Precision measurement of the 7 Be solar neutrino interaction rate in Borexino” ar. Xiv: 1104. 1816 v 1 [hep-ex] 10 Apr 2011 46± 1. 5(stat)+1. 6 -1. 5(syst) cpd/100 t 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(7 Be) = (5. 00± 0. 35) 109 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) 109 см-2 с-1 (f(7 Be) = 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-2 с-1 (f(pp) = 0. 97 ± 0. 05) и φ (CNO)<2. 3 109 см-2 с-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 8 B нейтрино в предположении модели BS 07(GS 98) SSM составляет 0. 29± 0. 10 для эффективной энергии 8. 9 Мэ. В, 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 Kam. LAND CPT ?

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 (+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 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 (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 ke. V 7 Be solar neutrino rate in Borexino and MSW oscillation parameters ar. Xiv: 1104. 2150 v 1 [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(7 Be) = 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 7 Be и 8 B нейтрино (0. 217± 0. 038(stat)± 0. 008 (syst)) cpd/100 t, и спектральная форма 8 B (5 бин от 3 до 13 Мэ. В). 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, ar. Xiv: 1104. 1639 v 1 [astro-ph]).

Глобальный анализ Данные радиохимических экспериментов, Super. Kamiokande phase I и III, SNO LETA и phase III. 68. 27, 95. 45 и 99. 73% у. д. допустимые области параметров. LMA ( m 2 = 5. 3 10 -5 e. V 2 и tan 2Θ =0. 47) Часть области LOW допустима χ2= 11. 83. С учетом данных Борексино LMA слегка изменяется ( m 2 = 5. 3 10 -5 e. V 2 и tan 2Θ =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 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 8 B нейтрино. органического сцинтиллятора для детектирования 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;

Перспективы • 7 Be • 8 B • 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. 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. – 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 @ 10 kpc ES (E > 0. 25 Me. V) 5 Electron antineutrinos (E > 1. 8 Me. V) 78 -p ES (E > 0. 25 Me. V) 52 12 C( , )12 C* 18 (Eg = 15. 1 Me. V) 12 C(anti- , e+)12 B 3 (Eanti- > 14. 3 Me. V) 12 C( , e-)12 N (E > 17. 3 Me. V) 9 Borexino включен в сеть SNEWS (Super Nova Early Warning System)

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