1 / 58

Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO

Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO. Marcin Wójcik Instytut Fizyki, Uniwersytet Jagielloński. Zagadnienia. Słońce jako źródło neutrin Wyniki dotychczasowych eksperymentów Detektor B OREXINO Badanie i dobór materiałów

donny
Télécharger la présentation

Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

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

  3. Słońce jako źródło neutrin Założenia SMS: - Równowaga termiczna i hydro- statyczna - Radiacyjny transport energii - Termojądrowe źródło energii Obserwable: Masa: 1.991030 kg Wiek: 4.57109 lat Promień: 6.96108 m Moc: 3.841020 MW Powierzchnia: Ts = 5780 K, H: 73 % He: 25 %,Z>2: 2 % Centrum: Tc = 15.8106 K, H: 33.3 % He: 64.6 %,Z>2: 2.1 %  = 1.6105 kg/m3 Warszawa, 16.11.2007

  4. Termojądrowe źródło energii Cykl pp Cykl CNO Warszawa, 16.11.2007

  5. Widmo neutrin słonecznych Warszawa, 16.11.2007

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

  7. Problem neutrin słonecznych Cl , Ga – SNU (Solar Neutrino Unit). 1 SNU = 1 reakcja/(1036 jąder tarczy · s) Warszawa, 16.11.2007

  8. 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 Warszawa, 16.11.2007

  9. m2 ≈ 810-5 eV2 27° <  < 38° 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) Warszawa, 16.11.2007

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

  11. BOREXINO: kolaboracja Warszwa, 16.11.2007

  12. BOREXINO: lokalizacja (LNGS) Warszawa, 16.11.2007

  13. BOREXINO: fizyka Słońca • Obserwacja niskoenergetycznych neutrin słonecznych w czasie rzeczywistym • Obserwacja neutrin 7Be:  10 % całkowitego strumienia • Pierwszy pomiar strumienia -7Be 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 106 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 Warszawa, 16.11.2007

  14. BOREXINO: fizyka Supernowych Galaktyczna Supernowa: • 10 kpc • 31053 ergów Warszawa, 16.11.2007

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

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

  17. BOREXINO: 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! Warszawa, 16.11.2007

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

  19. Ciekły scyntylator PC + PPO Warszawa, 16.11.2007

  20. BOREXINO: wymagana czystość LS Oczekiwany sygnał(7Be): ~35 ν/dzień (LMA) Przyczynek tła≤1 zdarzenie/dzień Warszawa, 16.11.2007

  21. 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 BOREXINO jest osiągalny! Warszawa, 16.11.2007

  22. BOREXINO:fazy napełniania Detektor napełniony scyntylatorem Detektor napełniony ultra-czystym azotem Detektor napełniony ultra-czystą wodą Napełnianie zakończono 15.05.2007, 11:25 Warszawa, 16.11.2007

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

  24. Niskie tło jest kluczowe • Oczyszczanie scyntylatora: • Ekstrakcja wodna • Destylacja próżniowa (80 mbar, 90-95 oC) • „Przepłukiwanie” ultra-czystym azotem • Filtrowanie • Ultra-czysty N2: • 222Rn < 7 Bq/m3 , LN2 produkowany we współpracy z fizykami • Ar < 0.005 ppm, Kr < 0.02 ppt, LAK wytwarzany przez fizyków • Ultra-czysty nylon: • 226Ra < 0.5 Bq/m2 aktywność powierzchniowa Ra • 226Ra < 10 Bq/kg aktywność właściwa Ra • Zmiana DRn o 103 dla wilgotności nylonu 0-100% • Ultra-czysta woda: • 222Rn ~1 mBq/m3 • 226Ra < 0.8 mBq/m3 Warszawa, 16.11.2007

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

  26. Destylacja scyntylatora • Przeprowadzono dwa pomiary dla rożnych koncentracji 210Pb w PC • Ilość PC z210Pb: ~200 ml • Mała frakcja(~35 ml) badana spektrometrem HPGe Warszawa, 16.11.2007

  27. Ekstracja wodna • Przeprowadzono 4 testy • Vwody = VPC • 210Pb w cieczach po ekstrakcji mierzono dla różnych czasów od jej zakończenia Awody ___________ APC R = Warszawa, 16.11.2007

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

  29. LTA Azot w BOREXINO • Regular Purity Nitrogen (RPN): • Klasa 4.0, nieoczyszczany • Produkcja do 100 m3/h (STP) • 222Rn ~ 50 µBq/m3, Ar ~ 10ppm, Kr ~ 30 ppt • LAK (Low Ar and Kr) Nitrogen: • Spec.Ar < 0.4 ppm, Kr < 0.2 ppt, 222Rn < 7 µBq/m3 • Oczyszczanie poprzez adsorpcje na specjalnym • typie węgla możliwe w fazie gazowej • Badanie dostępnego N2 we wspolpracy z producentami • Testy czystości w trakcie transportu • High Purity Nitrogen: • Adsorpcja222Rn na węglu akt. (LTA) • Koncentracja 222Rn < 0.3 µBq/m3 • Produkcja do 100 m3/h (STP) • Ar i Kr nie są usuwane Azot dostępny na rynku Po transporcie Warszawa, 16.11.2007

  30. Low Argon and Krypton (LAK) N2 Pomiary koncentracji 222Rn w azocie z SOL (Włochy). Specjalny zbiornik (16 m3) zbudowany od podstaw z założeniem minimalizacji tła. Napełnianie azotem i jego transport przeprowadzono zgodnie z opracoaną wcześniej procedurą. Warszawa, 16.11.2007

  31. Pomiary 222Rn • Licznikizaprojektowane dla eksperymentu GALLEX/GNO • Wytwarzane w MPI-K (objętość czynna ~ 1 cm3) • Tylko rozpady α są rejestrowane • Próg detekcji: 50 keV • - tło: 0.1 – 2 cpd • - wydajność ~ 1.5 • Limit detekcji: ~ 30 µBq (15 atomów) Warszawa, 16.11.2007

  32. Pomiary 222Rn 222Rn w gazach (N2/Ar) • 222Rn adsorption on activated carbon • several AC traps available • (MoREx/MoRExino) • pre-concentration from 100 – 200 m3 • purification is possible (LTA) limit detekcji: ~0.5 Bq/m3 (STP) [1 atom w 4 m3] • Emanacja 222Rn • Komory emanacyjne • 20 l  50 Bq • 80 l  80 Bq Limit detekcji: ~100 Bq [50 atomów] Warszawa, 16.11.2007

  33. Pomiary 222Rn Dyfuzja 222Rn w cienkich foliach • Rejestrowany jest profil czasowy dyfuzji • Współczynnik dyfuzji obliczane na podstawie odpowiedniego modelu 222Rn/226Ra w wodzie • 222Rn ekstrahowany z 350 litrów • Możliwe pomiary 222Rn i226Ra Czułość: D ~ 10-13cm2/s Limit detekcji dla 222Rn: ~0.1 mBq/m3 Limit detekcji dla226Ra: ~0.8 mBq/m3 Warszawa, 16.11.2007

  34. 222Rn w azocie Warszawa, 16.11.2007

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

  36. Dyfuzja 222Rn - aparatura Warszawa, 16.11.2007

  37. Dyfuzja 222Rn - pomiary Warszawa, 16.11.2007

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

  39. Pomiary 226Ra poprzez emanację 222Rn • Zawartość 226Ra w folii użytej do budowy pojemnika ciekłego scyntylatora nie mogła przekroczyć równoważnika 1 ppt 238U (12 Bq/kg) • Ze względu na stosunkowo małą gęstość nylonu (1.135 g/cm3) czułość najlepszych spektrometrów gamma była zbyt niska • Inne techniki, np. ICP-MS pozwalają wykonać pomiar zawartości 238U, który na ogół nie jest w równowadze z 226Ra • Nowa idea pomiaru polegała na badaniu emanacji Rn przez nylon o różnej wilgotności. Umożliwiła ona rozróżnienie aktywności powierzchniowej i objętościowej 226Ra Warszawa, 16.11.2007

  40. 226Ra w zbiorniku scyntylatora Specyfikacja: 1 ppt U (~12 Bq/kg for 226Ra) Ddry = 2x10-12 cm2/s (ddry= 7 m) Dwet = 1x10-9 cm2/s (dwet = 270 m) Adry= Asf + 0.14  Abulk Awet= Asf +Abulk Rozróżnienie pomiędzy koncentracją wewnętrzną i powierzchniową 226Ra możliwe poprzez badanie emanacji 222Rn Czułość:Cb ~ 10 Bq/kg Cs ~ 0.5Bq/m2 Folia dla IV: wew.≤ 15 Bq/kg pow.≤ 0.8 Bq/m2 całkowita = (16  4)Bq/kg (1.3 ppt U) Warszawa, 16.11.2007

  41. 226Ra w zbiorniku scyntylatora Bezpośredni pomiar226Ra ICP-MS (U/Th) Warszawa, 16.11.2007

  42. 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 cm3 1.4 nBq/m3dla39Ar in N2 Kr: 10-13 cm3  0.1 Bq/m3dla85Kr in N2 Warszawa, 16.11.2007

  43. Jak osiągnąć niskie tło? • PC specjalnie produkowany: • Ropa naftowa ze starego złoża • Specjalna stacja pomp do napełniania specjalnych cystern • Specjalne stanowisko w tunelu w LNGS do „rozładunku” PC • Komponenty detektora specjalnie oczyszczane: • Wnętrze detektora, cysterny transportowe, zbiorniki, rurociągi, aparatura – czyszczone kwasami i ultra-czystą wodą • Wnętrze detektora: klasa 10-10000 • Budowa pojemnika scyntylatora (IV) – klasa 100, Princeton • Wnętrze stalowej sfery – klasa 10 000 • Szczelność próżniowa detektora i aparatury: • <10-8 cm3s-1 bar • Aparatura wypełniana HPN / LAK N2 Warszawa, 16.11.2007

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

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

  46. BOREXINO: ”surowe” dane Warszawa, 16.11.2007

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

  48. Rekonstrukcja pozycji Warszawa, 16.11.2007

  49. Adaptacja Fiducial Volume Warszawa, 16.11.2007

  50. Węgiel 11C 11C:  + 12C → 11C + n +  wychwyt n →  (2.2 MeV) 11C → 11B + e+ + e T1/2 = 20.4 min Emax = 1.0 MeV 11C – eliminacja pozwoli mierzyć strumienie neutrin pep i CNO – byłby to pierwszy pomiar tych strumieni !!! Warszawa, 16.11.2007

More Related