1 Warszawa, 16.11.2007 Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO Marcin Wójcik Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński

2 Warszawa, 16.11.2007 Zagadnienia  Słońce jako źródło neutrin  Wyniki dotychczasowych eksperymentów  Detektor B OREXINO Badanie i dobór materiałów  Analiza sygnału  Pierwszy wynik pomiaru strumienia neutrin 7 Be

3 Warszawa, 16.11.2007 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: 73 % He: 25 %,Z>2: 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

4 Warszawa, 16.11.2007 Termojądrowe źródło energii Cykl ppCykl CNO

5 Warszawa, 16.11.2007 Widmo neutrin słonecznych

6 Warszawa, 16.11.2007 Zagadnienia  Słońce jako źródło neutrin  Wyniki dotychczasowych eksperymentów  Detektor B OREXINO Badanie i dobór materiałów  Analiza sygnału  Pierwszy wynik pomiaru strumienia neutrin 7 Be

7 Warszawa, 16.11.2007 Problem neutrin słonecznych Cl, Ga – SNU (Solar Neutrino Unit). 1 SNU = 1 reakcja/(10 36 jąder tarczy · s)

8 Warszawa, 16.11.2007 Oscylacje neutrin  Deficyt neutrin elektronowych obserwowany we wszystkich eksperymentach (Chlorine, Kamiokande, Super-K, GALLEX/GNO, SAGE)  Możliwe wyjaśnienie poprzez oscylacje neutrin (zakładając poprawność SMS)  W konsekwencji neutrino musi posiadac masę (wyjście poza Model Standardowy)  Oscylacje (efekt MSW) zostały potwierdzone przez eksperymenty SNO i KamLand

9 Warszawa, 16.11.2007 Oscylacje neutrin: SNO SNO mógł rejestrować wszystkie rodzaje neutrin. Sygnał od e był tylko częścią całkowitego sygnału. Ponieważ Słońce produkuje wyłącznie e - muszą istnieć oscylacje zapachów. Stany masowe nie są identyczne ze stanami zapachowymi. Wyniki pomiarów SNO: Oddziaływania z prądami neutralnymi (jednakowo czułe dla wszystkich neutrin) Sprężyste rozproszenia na elektronach (wszystkie neutrina; dla e przekrój czynny 6 razy większy Oddziaływania z prądami naładowanymi (tylko neutrina elektronowe) m 2 ≈ 810 -5 eV 2 27° <  < 38°

10 Warszawa, 16.11.2007 Zagadnienia  Słońce jako źródło neutrin  Wyniki dotychczasowych eksperymentów  Detektor B OREXINO Badanie i dobór materiałów  Analiza sygnału  Pierwszy wynik pomiaru strumienia neutrin 7 Be

11 Warszwa, 16.11.2007 B OREXINO : kolaboracja

12 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : lokalizacja (LNGS)

13 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : fizyka Słońca  Obserwacja niskoenergetycznych neutrin słonecznych w czasie rzeczywistym  Obserwacja neutrin 7 Be:  10 % całkowitego strumienia  Pierwszy pomiar strumienia - 7 Be z dokładnością 1 % (~35/dzień). Test SMS oraz modelu oscylacji neutrin (LMA) oddziaływania niestandardowe np.  z materią słoneczną → zmiana kształtu krzywej materia-próżnia? roczna modulacja sygnału (7 %)? Jej brak – inne oscylacje niż LMA na drodze 10 6 km? długoczasowe zmiany sygnału (nie roczne) wskazujące na nieznane procesy w jądrze słonecznym niespodzianką byłaby różnica dzień-noc!  Pomiar neutrin pep (~1 /dzień) – bezpośrednio powiązane z neutrinami typu pp  Pomiar neutrin typu CNO (~1 /dzień) – produkcja energii w dużych gwiazdach

14 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : fizyka Supernowych Kanał reakcjiN zdarzeń Odwrotny rozpad beta ( - e ) ~80 12 C(,’) 12 C* (E= 15.1 MeV) ~23 NC 12 C( e,e - ) 12 N 12 C( - e,e + ) 12 B ~4 CC (,p) – ES E p >250 keV ~50 Galaktyczna Supernowa: 10 kpc 310 53 ergów

15 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : fizyka antyneutrin Baza ≥ 800 km Należy oczekiwać uśrednionego sygnału od antyneutrin reaktorowych

16 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : fizyka geoneutrin KamLAND: Nature 436 (2005) 499-503. Oczekiwane widmo (cpy)

17 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : budowa detektora  Osłona bierna z wielu warstw o różnej gęstości i czystości  Fiducial Volume (FV) – softwarowo wydzielona kula scyntylatora o masie 100 ton (z 300 ton)  FV otoczona wieloma koncentrycznymi warstwami absorbującymi promieniowanie zewnętrzne, również od komponentów detektora  Wszystkie materiały - lecz głownie scyntylator - muszą posiadać nieosiągalną dotychczas czystość  Oczekiwany sygnał bez oscylacji: 50 /(d·100 t)  610 -9 Bq/kg Woda pitna  10 Bq/kg  Scyntylator, jego pojemnik (nylon), ciecz buforowa po napełnieniu detektora zawierają o 10 RZĘDÓW mniej izotopów promieniotwórczych, niż cokolwiek na Ziemi!

18 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : budowa detektora Detekcja elastycznego rozpraszania neutrin na elektronach.

19 Ciekły scyntylator PC + PPO Warszawa, 16.11.2007

20 B OREXINO: wymagana czystość LS 14 C/ 12 C ~10 -18 nat K ( 40 K)~10 -14 g/g (10 -18 g/g) 232 Th~10 -16 g/g 238 U ( 226 Ra)~10 -16 g/g (3·10 -23 g/g) Ar ( 39 Ar) ~70 Vol.-ppb(STP) Kr ( 85 Kr)~0.1 Vol.-ppt(STP) Oczekiwany sygnał ( 7 Be): ~35 ν/dzień (LMA) Przyczynek tła ≤1 zdarzenie/dzień

21 Warszawa, 16.11.2007 Counting Test Facility (CTF) Celem budowy było badanie czystości scyntylatora. Detektor zawiera: - 1500 ton ultra-czystej wody - 108 fotopowielaczy - 4 tony ciekłego scyntylatora Eksperymentalnie potwierdzono, iż wymagany stopień czystości scyntylatora dla B OREXINO jest osiągalny!

22 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO: fazy napełniania Detektor napełniony ultra-czystym azotemDetektor napełniony ultra-czystą wodąDetektor napełniony scyntylatorem Napełnianie zakończono 15.05.2007, 11:25

23 Warszawa, 16.11.2007 Zagadnienia  Słońce jako źródło neutrin  Wyniki dotychczasowych eksperymentów  Detektor B OREXINO Badanie i dobór materiałów  Analiza sygnału  Pierwszy wynik pomiaru strumienia neutrin 7 Be

24 Warszawa, 16.11.2007 Niskie tło jest kluczowe  Oczyszczanie scyntylatora: Ekstrakcja wodna Destylacja próżniowa (80 mbar, 90-95 o C) „Przepłukiwanie” ultra-czystym azotem Filtrowanie  Ultra-czysty N 2 : 222 Rn < 7 Bq/m 3, LN 2 produkowany we współpracy z fizykami Ar < 0.005 ppm, Kr < 0.02 ppt, LAK wytwarzany przez fizyków  Ultra-czysty nylon: 226 Ra < 0.5 Bq/m 2 aktywność powierzchniowa Ra 226 Ra < 10 Bq/kg aktywność właściwa Ra Zmiana D Rn o 10 3 dla wilgotności nylonu 0-100%  Ultra-czysta woda: 222 Rn ~1 mBq/m 3 226 Ra < 0.8 mBq/m 3

25 Warszawa, 16.11.2007 210 Pb, 210 Bi i 210 Po w scyntylatorze Testy destylacji i ekstrakcji wodnej

26 Warszawa, 16.11.2007 Destylacja scyntylatora Przeprowadzono dwa pomiary dla rożnych koncentracji 210 Pb w PC Ilość PC z 210 Pb: ~200 ml Mała frakcja(~35 ml) badana spektrometrem HPGe Aktywność 210 Pb w PC przed destylacją [cpm] Aktywność 210 Pb w PC po destylacji [cpm] Współczynnik redukcji 210 Pb 0.045  0.005 < 0.007 (90% C.L.)> 6 0.425  0.013 < 0.004 (90% C.L.)> 106

27 Warszawa, 16.11.2007 Ekstracja wodna R = A w ody ___________ A PC Przeprowadzono 4 testy V wody = V PC 210 Pb w cieczach po ekstrakcji mierzono dla różnych czasów od jej zakończenia Aktywność 210 Pb po ekstr. [cpm] Czas od zakończenia ekstrakcji Współczynnik R WodaScyntylator 0.103  0.0060.021  0.003 5 dni 5.0  0.6 0.106  0.0050.021  0.002 1 dzień 5.0  0.8 0.068  0.0060.025  0.004 Kilka godzuin 2.7  0.7 0.024  0.0030.028  0.004 Po separacji 0.9  0.2

28 Warszawa, 16.11.2007 Oczyszczanie scyntylatora Oczyszczanie scyntylatora: PC: 6-stopniowa destylacja, usunięcie gazów (Rn, Ar, Kr) przy użyciu LAKN PPO: filtrowanie (0.05 m), destylacja, odgazowanie LAKN

29 Warszawa, 16.11.2007 Azot w B OREXINO PróbkaC Ar [ppm]C Kr [ppt] MESSER (4.0) 200  301680  240 Air Liquide (4.0) 11.0  1.340  5 Linde AG, (7.0) 0.031  0.0042.9  0.4 SOL (6.0) 0.0063  0.00060.04  0.01 Westfalen AG (6.0) 0.00050  0.000080.06  0.02 Spec. (B OREXINO )< 0.4< 0.2 Regular Purity Nitrogen (RPN): - Klasa 4.0, nieoczyszczany - Produkcja do 100 m 3 /h (STP) - 222 Rn ~ 50 µBq/m 3, Ar ~ 10ppm, Kr ~ 30 ppt High Purity Nitrogen: - Adsorpcja 222 Rn na węglu akt. (LTA) - Koncentracja 222 Rn < 0.3 µBq/m 3 - Produkcja do 100 m 3 /h (STP) -Ar i Kr nie są usuwane LTA LAK (Low Ar and Kr) Nitrogen: - Spec. Ar < 0.4 ppm, Kr < 0.2 ppt, 222 Rn < 7 µBq/m 3 - Oczyszczanie poprzez adsorpcje na specjalnym typie węgla możliwe w fazie gazowej - Badanie dostępnego N 2 we wspolpracy z producentami -Testy czystości w trakcie transportu Supplier/setup C Rn [µBq/m 3 ] C Ar [ppm]C Kr [ppt] Linde AG, 3-m 3 movable tank 1.20.0180.06 SOL, 16-m 3 tank80.0120.02 Po transporcie Azot dostępny na rynku

30 Warszawa, 16.11.2007 Low Argon and Krypton (LAK) N 2 Pomiary koncentracji 222 Rn w azocie z SOL (Włochy). Specjalny zbiornik (16 m 3 ) zbudowany od podstaw z założeniem minimalizacji tła. Napełnianie azotem i jego transport przeprowadzono zgodnie z opracoaną wcześniej procedurą.

31 Warszawa, 16.11.2007 Pomiary 222 Rn Liczniki zaprojektowane dla eksperymentu GALLEX/GNO Wytwarzane w MPI-K (objętość czynna ~ 1 cm 3 ) Tylko rozpady α są rejestrowane Próg detekcji: 50 keV - tło: 0.1 – 2 cpd - wydajność ~ 1.5 Limit detekcji: ~ 30 µBq (15 atomów)

32 Warszawa, 16.11.2007 Pomiary 222 Rn Limit detekcji: ~100  Bq [50 atomów] Emanacja 222 Rn Komory emanacyjne 20 l  50  Bq 80 l  80  Bq 222 Rn w gazach (N 2 /Ar) limit detekcji: ~0.5  Bq/m 3 (STP) [1 atom w 4 m 3 ] 222 Rn adsorption on activated carbon several AC traps available (MoREx/MoRExino) pre-concentration from 100 – 200 m 3 purification is possible (LTA)

33 Warszawa, 16.11.2007 Pomiary 222 Rn Czułość: D ~ 10 -13 cm 2 /s Limit detekcji dla 222 Rn: ~0.1 mBq/m 3 Limit detekcji dla 226 Ra: ~0.8 mBq/m 3 222 Rn ekstrahowany z 350 litrów Możliwe pomiary 222 Rn i 226 Ra 222 Rn/ 226 Ra w wodzie Dyfuzja 222 Rn w cienkich foliach Rejestrowany jest profil czasowy dyfuzji Współczynnik dyfuzji obliczane na podstawie odpowiedniego modelu

34 Warszawa, 16.11.2007 222 Rn w azocie KlasaProducent Wielkość próbki [m 3 ] C m [Bq/m 3 ]C f [Bq/m 3 ] 4.5 – 5.0Messer/Air Liquide4030 – 70--- 6.0 (7.0)Linde150 0.7  0.2 1 6.0SOL100 15  1 17

35 Warszawa, 16.11.2007 Dyfuzja 222 Rn Zbiornik scyntylatora Bariera 222 Rn

36 Warszawa, 16.11.2007 Dyfuzja 222 Rn - aparatura

37 Warszawa, 16.11.2007 Dyfuzja 222 Rn - pomiary

38 Warszawa, 16.11.2007 Dyfuzja 222 Rn - wyniki Współczynnik dyfuzji zmienia się o 3 rzędy wielkości pomiędzy folią suchą i wilgotną! Redukcja koncentracji Rn w B OREXINO o kilka rzędów wielkości

39 Warszawa, 16.11.2007 Pomiary 226 Ra poprzez emanację 222 Rn  Zawartość 226 Ra w folii użytej do budowy pojemnika ciekłego scyntylatora nie mogła przekroczyć równoważnika 1 ppt 238 U (12 Bq/kg)  Ze względu na stosunkowo małą gęstość nylonu (1.135 g/cm 3 ) czułość najlepszych spektrometrów gamma była zbyt niska  Inne techniki, np. ICP-MS pozwalają wykonać pomiar zawartości 238 U, który na ogół nie jest w równowadze z 226 Ra  Nowa idea pomiaru polegała na badaniu emanacji Rn przez nylon o różnej wilgotności. Umożliwiła ona rozróżnienie aktywności powierzchniowej i objętościowej 226 Ra

40 Warszawa, 16.11.2007 226 Ra w zbiorniku scyntylatora Specyfikacja: 1 ppt U (~12  Bq/kg for 226 Ra) D dry = 2x10 -12 cm 2 /s (d dry = 7  m) D wet = 1x10 -9 cm 2 /s (d wet = 270  m) A dry = A sf + 0.14  A bulk A wet = A sf +A bulk Rozróżnienie pomiędzy koncentracją wewnętrzną i powierzchniową 226 Ra możliwe poprzez badanie emanacji 222 Rn Czułość: C b ~ 10  Bq/kg C s ~ 0.5  Bq/m 2 Folia dla IV: wew. ≤ 15  Bq/kg pow. ≤ 0.8  Bq/m 2 całkowita = (16  4)  Bq/kg (1.3 ppt U)

41 Warszawa, 16.11.2007 226 Ra w zbiorniku scyntylatora Bezpośredni pomiar 226 Ra ICP-MS (U/Th)

42 Warszawa, 16.11.2007 Ar i Kr w azocie Spektrometr masowy gazów szlachetnych typu VG 3600. Używany do badania zawartości gazów szlachetnych w próbkach geologicznych i meteorytach. Zaadoptowany do pomiarów zawartości gazów szlachetnych w azocie. Limit detekcji: Ar: 10 -9 cm 3   1.4 nBq/m 3 dla 39 Ar in N 2 Kr: 10 -13 cm 3   0.1  Bq/m 3 dla 85 Kr in N 2

44 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : grupa krakowska  Wojciech Wlazło  Lucyna Malina  Grzegorz Zuzel  Paweł Lipiński  Anna Maszczyk  Marcin Misiaszek  Nikodem Frodyma  Grzegorz Rożej  Krzysztof Pelczar  Tomasz Kułakowski  Marcin Wójcik

45 Warszawa, 16.11.2007 Zagadnienia  Słońce jako źródło neutrin  Wyniki dotychczasowych eksperymentów  Detektor B OREXINO Badanie i dobór materiałów  Analiza sygnału  Pierwszy wynik pomiaru strumienia neutrin 7 Be

46 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : ”surowe” dane

47 Warszawa, 16.11.2007 Eliminacja mionów Szybkość zliczeń od mionów w scyntylatorze i buforze: (0.055±0.002)/s Skuteczność eliminacji mionów > 99%

48 Warszawa, 16.11.2007 Rekonstrukcja pozycji

49 Warszawa, 16.11.2007 Adaptacja Fiducial Volume

50 Warszawa, 16.11.2007 Węgiel 11 C 11 C:  + 12 C → 11 C + n +  wychwyt n →  (2.2 MeV) 11 C → 11 B + e + + e T 1/2 = 20.4 min E max = 1.0 MeV 11 C – eliminacja pozwoli mierzyć strumienie neutrin pep i CNO – byłby to pierwszy pomiar tych strumieni !!!

51 Warszawa, 16.11.2007 Widmo z obszaru FV (47.4 d)

52 Warszawa, 16.11.2007 B OREXINO : charakterystyka tła  Triger: 15 zdarzeń/s, głównie 14 C  miony w scyntylatorze i buforze: 0.055/s (5000/d)  14 C: 14 C/ 12 C  2.7·10 -18  222 Rn: opóźniona koincydencja /α: 214 Bi/ 214 Po, τ = 236 s, 2 zdarzenia/(d·100 ton) → 238 U jest na poziomie 2·10 -17 g/g.  220 Rn: opóźniona koincydencja /α: 212 Bi/ 212 Po, τ = 433 ns → 232 Th jest na poziomie 2.4·10 -18 g/g  210 Po: 60 zdarzeń/(d·1 t), prawdopodobnie 210 Bi nieobecny, 210 Po eliminowany cięciem α/ (Gatti cut)  85 Kr: opóźniona koincydencja /, 85 Kr/ 85m Rb, τ = 1.46 s, BR = 0.43 %, 85 Kr < 35 zdarzeń/(d·100 ton) (90 % C.L.)  210 Bi: brak sygnatury, wolny parametr

53 Warszawa, 16.11.2007 Zagadnienia  Słońce jako źródło neutrin  Wyniki dotychczasowych eksperymentów  Detektor B OREXINO Badanie i dobór materiałów  Analiza sygnału  Pierwszy wynik pomiaru strumienia neutrin 7 Be

54 Warszawa, 16.11.2007 Sygnał neutrinowy: pierwszy fit Bez eliminacji 210 Po. E thr = 580 keV Zmienne w procedurze fitowania: -  neutrin 7 Be - 85 Kr (T 1/2 = 10.76 y) - CNO + 210 Bi (łącznie) - wydajność scyntylatora Sygnał [cpd/100 t]: 7 Be: (49  7  12) 85 Kr: (16  9  5)* 210 Bi + CNO: (19  3  5) *) Na podstawie fitu, brak bezpośredniej ewidencji (koincydencje -)

55 Warszawa, 16.11.2007 Dyskryminacja -

56 Warszawa, 16.11.2007 Sygnał neutrinowy: drugi fit Po eliminacji 210 Po Fit w całym zakresie energii Wyznaczono: 7 Be: (47 ± 7 ± 12) cpd/100 t 210 Bi+CNO: (15 ± 4 ± 5) cpd/100 t 85 Kr: (22 ± 7 ± 5) cpd/100 t 210 Po: (0.9 ± 1.2) cpd/100 t

57 Warszawa, 16.11.2007 Sygnał neutrin typu 7 Be Pomiar: (47 ± 7 stat ± 12 syst ) /(d100 t) SMS: ( SMS: (75 ± 4) /(d100 t) SMS+MSW(LMA): (49 SMS+MSW(LMA): (49 ± 4) /(d100 t)

58 Warszawa, 16.11.2007 Podsumowanie  B OREXINO od początku był projektowany i konstruowany jako detektor niskotłowy!  15 lat badań – wiele rozwiązań wykorzystano w innych eksperymentach.  Rejestracja neutrin 7 Be, pp, pep, CNO o energiach < 2 MeV w czasie rzeczywistym  Program pomiaru strumienia geoneutrin  B OREXINO może zaobserwować supernową  Pomiar momentu magnetycznego neutrina przy użyciu sztucznego źródła neutrin ( 51 Cr, E = 751 keV)  Poszukiwanie 02 ( 130 Xe, 150 Nd)  Ultra-niskotłowy Detektor B OREXINO o masie 300 t