Projekt poszukiwania neutrin sterylnych w eksperymencie z krótką bazą przy użyciu detektora BOREXINO

Transkrypt

1 Projekt poszukiwania neutrin sterylnych w eksperymencie z krótką bazą przy użyciu detektora BOREXINO Marcin Misiaszek Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński Astrofizyka Cząstek w Polsce, 3-6 Marca, Kraków 2013

2 Neutrina słoneczne książkowy przykład astrofizyki cząstek φpp ± 1%

3 BOREXINO jest zlokalizowane w podziemnym laboratorium Laboratori Nazionali del Gran Sasso L Aquila, około 120 km od Rzymu Osłona z 1400 m wapiennych skał (odpowiednik słupa 3800 m wody) LVD ICARUS GERDA BOREXINO OPERA DARKSIDE

4 Schemat detektora BOREXINO Stalowa sfera: 2212 PMT + koncentratory światła 1350 m3 Scyntylator: 300 t PC+PPO nylonowym balonie o grubości 150 µm Zbiornik wody: osłona γ i n µ wodny detektor Č 208 PMT w wodzie 2100 m3 Balony nylonowe: Wewnętrzny: 4.25 m Zewnętrzny: 5.50 m Bardzo dobra osłona od zewnętrznego tła Wzrastająca czystość zewnętrznych warstw w kierunku środka detektora Płyty stalowe

5 EKSPERYMENT BOREXINO Głowny cel: detekcja neutrin słonecznych ν + e- ν + e- w ciekłym scyntylatorze Ultra-niskie tło radiopromieniotwórcze uzyskana przez selekcję materiałów, osłony oraz oczyszczanie Niska energia progowa, dobra rozdzielczość energetyczna i przestrzenna. Identyfikacja cząstek alfa, elektronów oraz pozytonów Ponadto: Geo-neutrina, poszukiwanie rzadkich rozpadów Widmo neutrin słonecznych pp ± 1% 7Be ± 10.5 % Widmo energetyczne elektronów odrzutu dla doskonałego detektora + tło pep ± 2%

6 BOREXINO koniec fazy I 2008: First real time detection of 7Be solar neutrinos by BOREXINO Physics Letters B Volume 658, Issue 4, 3 January 2008, Pages : Direct Measurement of the 7Be Solar Neutrino Flux with 192 Days of BOREXINO Data Phys. Rev. Lett. 101, (2008) 2008: Search for solar axions emitted in the M1-transition of 7Li* with BOREXINO CTF EPJ C Particles and Fields, Volume 54, Number 1 / March, : The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso NIM A, Volume 600, Issue 3, 11 March 2009, Pages : New experimental limits on the Pauli-forbidden transitions in C-12 nuclei obtained with 485 days BOREXINO Phys. Rev. C 81, (2010) 2010: Measurement of the solar 8B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the BOREXINO detector Phys. Rev. D 82, (2010) 2010: Observation of geo-neutrinos Physics Letters B, Volume 687, Issues 4-5, 19 April 2010, Pages : Study of solar and other unknown anti-neutrino fluxes with BOREXINO at LNGS Physics Letters B, Volume 696, Issue 3, 31 January 2011, Pages : Precision Measurement of the 7Be Solar Neutrino Interaction Rate in BOREXINO Phys. Rev. Lett. 107, (2011) 2012: Absence of a day night asymmetry in the 7Be solar neutrino rate in Borexino Phys. Lett. B (2012) : First evidence of pep solar neutrinos by direct detection in BOREXINO Phys. Rev. Lett (2012) Przegorzały 108, 3 Marca,

7 SOX SOX - Short distance Oscillations with BoreXino Nowy, innowacyjny eksperyment w celu badania fizyki niskoenergetycznych oscylacji neutrin oraz do poszukiwania niestandardowych oddziaływań przy użyciu pojedynczego (może więcej?) sztucznego źródła neutrin umieszczonego w pobliżu lub wewnątrz detektora BOREXINO Eksperyment ma wystarczającą czułość do badania oscylacji neutrin oraz antyneutrin elektronowych przy uwzględnieniu występowania czwartej rodziny leptonowej t.j. neutrin sterylnych Główne finansowanie zostało przyznane przez ERC Dodatkowe finansowane może być potrzebne do wykonania pełnego projektu Projekt do DOE jest w przygotowaniu, poszukiwane inne źródła finansowania w Europie (Niemcy, Francja, Włochy - INFN)

8 Wiele propozycji naukowych z wykorzystaniem sztucznego źródła Pomysł wykonania detekcji neutrin lub antyneutrin ze sztucznego źródła w detektorze BoreXino obecny od narodzenia jego projektu (1991) N.G. Basov, V. B. Rozanov, JETP 42 (1985) Borexino proposal, 1991 (Sr90) J.N.Bahcall,P.I.Krastev,E.Lisi, Phys.Lett.B348: ,1995 N.Ferrari,G.Fiorentini,B.Ricci, Phys. Lett B 387, 1996 (Cr51) I.R.Barabanov et al., Astrop. Phys. 8 (1997) Gallex coll. PL B 420 (1998) 114 Wykonane (Cr51) A.Ianni,D.Montanino, Astrop. Phys. 10, 1999 (Cr51 and Sr90) A.Ianni,D.Montanino,G.Scioscia, Eur. Phys. J C8, 1999 (Cr51 and Sr90) SAGE coll. PRC 59 (1999) 2246 Wykonane (Cr51 and Ar37) SAGE coll. PRC 73 (2006) C.Grieb,J.Link,R.S.Raghavan, Phys.Rev.D75:093006,2007 V.N.Gravrin et al., arxiv: nucl-ex: C.Giunti,M.Laveder, Phys.Rev.D82:113009,2010 C.Giunti,M.Laveder, arxiv: SOX Proposal European Research Council Feb APPROVED and FINANCED Wiele faktów doświadczalnych (LSND, SAGE+Gallex, Miniboone, Reactors, Cosmology) motywuje wykonanie dodatkowe pomiaru, który wykorzysta czystość oraz masę detektora BOREXINO.

9 Deficyt neutrin reaktorowych oraz ze sztucznego źródła

10 SOX - Podstawy pomiaru Dwie (niewykluczające się) opcje pomiaru źródło 51Cr neutrina lokalizacja na zewnątrz 5-10 MCi Możliwość wykonania potwierdzona dla 5 MCi. Faza R&D dla 10 MCi. Pomiar możliwy do wykonania kiedykolwiek podczas II fazy pomiaru neutrin słonecznych ( ) 144Ce źródło 144Ce antyneutrina kci Pomiar mógłby być wykonany po zakończeniu programu neutrin słonecznych i przy dodatkowej modyfikacji detektora (we wnętrzu) Ce na zewnątrz też opcjonalnie możliwe Szybsza realizacja ν lub ν tunel 51Cr lub 144Ce

11 PODSTAWOWE INFORMACJE W przypadku interpretacji anomalii reaktorowej jako przejawu mieszania z dodatkową rodziną neutrin sterylnych otrzymuje się: Δm2 1 ev2 sin2ϑ Dla energii neutrin ~ 1 MeV, długość oscylacji jest rzędu kilku metrów Dużo większa niż geometryczna zdolność roz. BX : ~ 15 1 MeV Dużo mniejsza od średnicy zbiornika ze scyntylatorem: ~12 m Raju, PRD 75, (2007) Clear deformation of Pee Z tych dwóch faktów wynika możliwość obserwacji oscylacyjnego przebiegu funkcji Pee(x) i jej możliwej deformacji na poziomie dokładności około 1% Eksperyment będzie czuły na występowanie neutrin sterylnych jak również każdego innego zjawiska, które wpływa na przebieg Pee(x) Δm2 = 0.6 ev2 sin2(2ϑs) = 0.3

12 Właściwości fizyczne proponowanych źródeł Źródło Technika produkcji <τ> (dni) Typ rozpadu Energia Masa Ciepło [MeV] [kg/mci] [W/kCi] 51Cr Aktywacja n 50Cr w reaktorze jądrowym Φn cm-2 s-1 40 EC γ 320 kev (10%) Sr - 90Y Ekstrakcja chemiczna ze zużytego paliwa jądrowego β- < Ce 144Pr Ekstrakcja chemiczna ze zużytego paliwa jądrowego 411 β- < ERC Starting Grants: Search for a fourth neutrino with a PBq anti-neutrino source

13 Widmo neutrin słonecznych + 51Cr Oczekiwane widmo elektronów odrzutu w oddziaływaniu neutrin: słonecznych 7Be (czerwona), ze źródła 51Cr (czarna)

14 51Cr ŹRODŁO ZEWNĘTRZNE Oscylacje widoczne tylko po uwzględnieniu geometrii Czynnik objętościowy Strumień w funkcji czasu i odległości Ilość zarejestrowanych zdarzeń w funkcji czasu pomiaru i objętości:

15 51Cr na zewnątrz - NEUTRINO STERYLNE Przewidywana czułość dla 10 MCi, pojedyncza aktywacja, źródło zewn. Anomalia reaktorowa i galowa Obszar czułości SOX Przyjęte tło Borexino

16 51Cr na zewnątrz - inne możliwości pomiarowe Kąt Weinberga Moment magnetyczny 10 MCi 5 MCi Reaktorowe (antyneutrina) μ < μB (90% CL) Test oddziaływań elektrosłabych daleko od bieguna Z0 Borexino (słoneczne neutrina) μ < μB (90% CL)

17 144Ce - ŹRÓDŁO WEWNĘTRZNE Ze źródłem wewnętrznym oraz przy bardzo łatwej selekcji zdarzeń od antyneutrin (tło ich pomiaru ~ zero ) możliwa czułość pomiarowa jest jeszcze większa

18 144Ce - wewnątrz Radialny rozkład oscylacji: bezpośredni test przebiegu Pee(x)

19 Lokalizacja źródła 51Cr Na wczesnym etapie budowy wykonany został tunel

20 Źródło 51Cr Gallex 1994 ~36 kg, 50Cr wzbogaconego 38% 190 W/MCi od promieniowania γ 7 µsv/h (2.7 µsv/h pod. lot. zdjęcie stomatologiczne ) Ten materiał jest dostępny Aktualnie w Saclay

21 Model termiczny źródła 51Cr Źródło 10 MCi dostarcza 1.9 kw energii termicznej Wymagane jest pasywne chłodzenie tak aby zewnętrzna temperatura nie przeszkadzała w operowaniu źródłem a wewnętrzna poniżej 720 C, czyli temperatury spiekania chromu Wstępne wyniki są pozytywne: Tzew = 44 C (środek) Tmax = 250 C

22 Lokalizacja źródła 144Ce Bardzo masywne źródło Osłona o masie ~ 4 t (W) Cylinder z Wolframu + płaszcz Cu w celu redukcji tła od pr. gamma Wolfram nie jest radiogenicznie czysty Źródło może wisieć lub być oparte od podstawy Usunięcie pojemników nylonowych Nowy tryger oraz elektronika

23 Podsumowanie SOX Plan naukowy Poszukiwanie neutrin sterylnych lub innych efektów wpływających na Pee Niskoenergetyczny pomiar kąta ϑw (~ 1 MeV) Pomiar momentu magnetycznego neutrina I faza eksperymentu BOREXINO zakończona Be pierwsza detekcja strumienia z dokładnością ~5% w 2011 pep pierwsza detekcja na poziomie 98% C.L. w 2012 B po raz pierwszy w ciekłym scyntylatorze w 2010 Geo-neutrina obserwacja strumienia na poziomie 4σ w ERC Grants 2012/13: Short distance Oscillations with BoreXino (Adcanced Grants) IT Search for a fourth neutrino with a PBq anti-neutrino source (St.G.) FR