1 P omiary strumieni neutrin słonecznych w eksperymencie B OREXINO Marcin Marian Wójcik Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński SZLIF: Kraków, 15 maja 2015

2 Słońce emituje promieniowanie we wszystkich kierunkach Bardzo mała część energii słonecznej pada na Ziemię Stała słoneczna Energia / s·m 2 poza atmosferą pow. prostopadła do kierunku Ziemia - Słońce

3 Stała słoneczna 1366 W/m 2 ↔ 1366 J/s·m 2 teoria kontrakcyjna stworzona w 1854 przez H.L.F. Helmholtza źródłem energii wypromieniowywanej przez Słońce jest jego kurczenie się, połączone z zamianą energii grawitacyjnej w energię promienistą Tej energii wystarczy na ~ 20 mln lat

4 ½ T dla uranu-238 wynosi 4.47 mld lat Ołów-206 jest stabilny Po ½ T uranu-238 Tor Rad Radon Bizmut Wiek Układu Słonecznego – 4.57 mld lat

5 Hipoteza Bethego - 1938 Nagroda Nobla 1967 za opracowanie torii nukleosyntezy w gwiazadach

6 Słońce jako źródło neutrin Założenia SMS: - Równowaga termiczna i hydro- statyczna - Radiacyjny transport energii - Termojądrowe źródło energii Obserwable: Masa: 1.99  10 30 kg Wiek: 4.57  10 9 lat Promień: 6.96  10 8 m Moc: 3.84  10 20 MW Powierzchnia: T s = 5780 K, H: 74 % He: 24.8 %, Z>2: 1.2 % Centrum: T c = 15.8  10 6 K, H: 33.3 % He: 64.6 %, Z>2: 2.1 %  = 1.6  10 5 kg/m 3

7 Termojądrowe źródło energii Cykl ppCykl CNO

8 Widmo neutrin słonecznych

9 Bahcall, Serenelli and Basu,AstropJ 621, L85(2005) + Heliosejsmologia – sprzeczność ze SMS z niskim Z. Rozstrzygnąć może pomiar strumienia neutrin CNO Φ (cm -2 s -1 ) pp (×10 10 ) 7 Be (×10 9 ) 8 B (×10 6 ) 13 N (×10 8 ) 15 O (×10 8 ) 17 F (×10 6 ) BS05 high Z 5.994.845.693.072.335.84 BS05 low Z 6.054.344.512.011.453.25 Δ +1%-10%-21%-35%-38%-44% σ SSM ±1%±5%±16%±15%±15%±15% Model Słońca - kontrowersyjne Z

10 BOREXINO zbudowany w Laboratori Nazionali del Gran Sasso, w pobliżu L’Aquili, ca.120 km od Rzymu osłaniany przez 1400 m skał (3800 m wodnego równoważnika)

11 Gran Sasso INFN underground laboratory © Nature 485, 435–438 (24 May 2012) doi:10.1038/485435a decommissioned

12 Współpraca BOREXINO ~ 100 fizyków i inżynierów z 25 uniwersytetów i instytutów. Grupa z IF UJ od 1994; prace nad maksymalizacją czułości detektora BOREXINO.

13 BOREXINO Detector Core of the detector: 300 tons of liquid scintillator contained in a nylon vessel of 4.25 m radius (PC+PPO); 1 st shield: 1000 tons of ultra-pure buffer liquid (pure PC) contained in a stainless steel sphere of 7 m radius; 2214 photomultiplier tubes pointing towards the center to view the light emitted by the scintillator; 2 nd shield: 2000 tons of ultra-pure water contained in a cylindrical dome; 200 PMTs mounted on the SSS pointing outwards to detect light emitted in the water by muons crossing the detector;

14

15 BOREXINO Detector – Detection principle Neutrino elastic scattering on electrons of liquid scintillator: e - +   e - + ; Scattered electrons cause the scintillation light production; Advantages: Low energy threshold (~ 0.2 MeV); High light yield and a good energy resolution; Good position reconstruction; Drawbacks : Info about the directionality is lost; -induced events can’t be distinguished from the events of  natural radioactivity; The expected rate of solar neutrinos in 100 tons of BX scintillator is ~40 counts/day which corresponds to ~5  10 -9 Bq/kg Extreme radiopurity is a must for a precision low energy neutrino spectroscopy. Rn in air ~ 10 Bq/kg Natural water ~ 10 Bq/kg Rn in Borexino ~ 1×10 -10 Bq/kg E.g.:

16 CNO 7 Be 11 C 10 C 14 C pp+pep+ 8 B 238 U + 232 Th The expected signal and the irreducible background

17 The final spectrum is fitted to a global signal plus background model to extract the value of the flux Precision Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Interaction Rate in Borexino Phys. Rev. Lett. 107, 141302 (2011) φ Be = (3.10 ± 0.15) × 10 9 cm -2 s -1 P ee = 0.51 ± 0.07 at 0.862 MeV 7 Be neutrino flux measurement Spectral feature: compton- like edge from scattered electrons

18 BOREXINO – most recognized results 2008: Direct Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Flux with 192 Days of BOREXINO Data Phys. Rev. Lett. 101 (2008) 091302 2010: Measurement of the solar 8 B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the BOREXINO detector Phys. Rev. D 82 (2010) 033006 2010: Observation of geo-neutrinos Phys. Lett. B, 687 (2010) 299-304 2011: Precision Measurement of the 7 Be Solar Neutrino Interaction Rate in BOREXINO Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 141302 2012: First evidence of pep solar neutrinos by direct detection in BOREXINO Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 051302 2013: Measurement of geo-neutrinos from 1353 days of BOREXINO Phys. Lett. B 722 (2013) 295–300 2014: Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun Nature 512 (2014) 383–386

19 Now Borexino alone provides the validation of the MSW – LMA neutrino oscillation paradigm over the entire solar neutrino spectrum The missing point is CNO for which we have only an upper limit so far Borexino measured electron neutrino survival probability for 4 different nuclear reactions 7·10 -5 eV 2 θ  32 o

20 BOREXINO timeline SOX, CNO ?

21 -----Borexino Phase I (May 2007-May 2010) -----Borexino Phase II (Jan 2012-Mar 2012) npmts Borexino Phase 2: new challenges Comparison between Phase 1 and Phase 2 data

22 Short distance e Oscillations with Borexino (SOX) Sterile Neutrino Searches: The „SOX” Experiment. Intense neutrino sources will be placed in tunnel under Borexino to search for short-baseline neutrino oscillations. 10 MCi 51 Cr 750 keV mono-energetic neutrinos and 100 kCi 144 Ce anti- neutrino source (E max = 3 MeV) to be used.

23 Short distance e Oscillations with Borexino (SOX) Example of a possible outcome of the 51 Cr experiment with sin 2 (2 14 ) = 0.3 and  m 2 41 =2 eV 2. Data points are obtained with a full Geant-4 simulation. The signal (red band) is dominating

24 Complete analysis of Phase 2 data calibration campaign to further reduce systematic uncertainties; improved measurement of 7 Be (3°/ o error? challenging!) and other solar neutrino families; Attempt to measure CNO : very challenging! Sterile neutrino program (SOX) In 2016 the 144 Ce- 144 Pr anti-neutrino source will arrive in Gran Sasso and data taking for sterile neutrino program will start; NCN grants support of our group: HARMONIA: 2013 - 2016 SONATA BIS: 2014 - 2017 Outlook (98-01) KBN (02-05) KBN (06-09) MNiSW (09-13) no fund. 2013- 2016 NCN