Download
pierwsze wyniki pomiaru strumienia s onecznych neutrin typu 7 be w eksperymencie b orexino n.
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Pierwsze wyniki pomiaru strumienia słonecznych neutrin typu 7 Be w eksperymencie B OREXINO PowerPoint Presentation
Download Presentation
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

138 Vues Download Presentation
Télécharger la présentation

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

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 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