Les neutrinos solaires dans le détecteur Borexino premiers résultats (publiés en aout 07) Hervé de Kerret APC

Les neutrinos solaires Les neutrinos solaires dans le détecteur dans le détecteur

Borexino Borexino premiers résultatspremiers résultats

(publiés en aout 07)(publiés en aout 07)

Hervé de Kerret APC

Laboratori Nazionali del Gran Sasso Abruzzo, Italy

120 Km from Rome

Environ 1/3 des neutrinos émis par le soleil arrivent sur terre Avec la saveur de départ

Ceci est expliqué par une oscillation des neutrinos dés le début de leur vol(Prix Nobel Davis Koshiba) le neutrino a une masse non nulle(découverte Astroparticule)

Vue du soleil en neutrinos (à travers la terre)Expérience super-Kamioka

Expériences : Chlore(Davis),Gallex,Sudbury,Kamioka+super K,…

65 milliards/cm2/seconde

Borexino fait la première mesure En temps réel des neutrinos <1Mev

Signal attendu

- ν + e ν +e front à la Compton- Bruits du C14 (au dessous de 250 Kev) et du C11 inévitable (cosmogénique)

Réaction choisie ν+e ν+e . Un signal unique à quelques centaines de KeV

La principale difficulté est le contrôle de la radioactivité naturelle But (utopique à l’époque): ≤ 10-16g/g : Th, U.eq.;14C/12C ≈10-18.

proto C.T.F.: tester les méthodes de purification jusqu’à 5 10-16g/g U,Th equiv.

•Borexino est situé sous la montagne du Gran Sasso près de Rome (4000 m water equivalent);

Cible: 300 tons of liquide scintillant dans un nylon de 4m de rayon

1st blindage: 1000 tons of liquide non scintillant

2nd blindage: 2400 tonnes d’eau

2200 photomultiplicateurs regardant le centre

200 PMTs pour marquer le passage d’un muon (veto)

deuxième nylon (contre le radon)

Borexino Collaboration

Kurchatov Institute(Russia)

Dubna JINR(Russia)

Heidelberg(Germany)

Munich(Germany)

Jagiellonian U.Cracow(Poland)

Perugia

Genova

APC Paris

MilanoPrinceton University

Virginia Tech. University

20-10-2006

Durant le remplissage d’eau

Durant le remplissage de scintillateur

Après remplissage de scintillateur

BRUITS DE FOND

RADIOACTIVITE• Les grandes chaînes de radioactivité

– U238 • Longue période (qui permet de mesurer la durée de vie de la terre)• Ses descendants

– Radon: gaz très répandu (des dizaines de Bq/m3 dans l’air), 4j de temps de vie (suffisant pour migrer)

– Puis Bismuth Polonium (dit Bi Po) coincidence– Puis Pb210 (22ans), Bi210,Po210, et enfin Pb210

– Th232• Structure analogue

– Le gaz rare (thoron) a une durée de vie courte, donc voyage moins

• K40.• Surtout dans le verre des PMTs

• Kr • Depuis les explosions atomiques et centrales nucléaires• Une branche rare (0.5%) permet de le mesurer

et autres radioactivités..

PURIFICATIONPURIFICATION (Borex.Coll.,Astrop.Phys.16,2002)

scintillator : PC: water extraction,distillation (80 mbar,90-95 0C), N2 stripping : PPO purifié à partUltrapure N2 : ultra pur Nitrogen: Rn< 0.1 Bq/m3

LAK Nitrogen: 0.005 ppm Ar, 0.06 ppt KrEau: U/Th equivalent:10-14g/g,222Rn<1 mBq/m3, 226Ra<0.8 mBq/m3

Selection des composants, surfaces électropolies et passivées

: <10-8 bar cm3 s-1 ( Rn dans le hall 40-120 Bq/m3) Toutes les opérations en salle propre:classes 10,100,1000; le détecteur lui-même est maintenu salle propre de classe 10000

Toutes les opérations sous azote

nettoyage: (detector, réservoirs de stockage, lignes, composants) avec acides,detergents and eau ultra pure

Achat du scintillateur PC: huile brut de couches anciennes, station de chargement connectée directement à la raffinerie, container de transport, station de déchargement

Effort technique sur la préparation Des vaisseaux Nylon: selection et fabrication de la matière en zone contrôlée construction en salle propre avec controle du Rn, et emballage propre pour le transport.

Data acquisition •Electronique testée avec N2 (“air run’”), puis eau

•Prise de données depuis le 15 Mai, 2007

•Trigger f ≥ 30 PMTs (au moins 1 p.e) en 60 ns; En. threshold: ≈60 keV - temps et charge de chaque p.e.

•Taux ~ 11 cps (dominé par le 14C)

•veto ≥ 6 PMT touchés (99.8 %)• 2 ms temps mort après chaque traversant le scintillateur

(taux 0.055 s-1).

>> temps et charge totale sont mesuréees (nobre de PMTs touchés en pratique). La position de chaque évènement est reconstruite (à partir des signaux de PMTs, on obtient la position de l’évènement et l’énergie déposée). Une coupure sur le rayon sera faite;

>> 47.4 jours de prise de données

>>deux analyses indépendantes

>>La reconstruction n’est pas encore calibrée par insertion de sources signaux internes utilisés

.

La quantité de lumière est évaluée en fittant le spectre du C14

( decay-156 keV, end point)Borex. Coll. NIM A440,2000

LY≈500 p.e./MeVquenching de l’électron inclus)

résolution spatiale: 16 cm at 500 keV (scaling )

resolution en énergie: 10% at 200 keV 8% at 400 keV 6% at 1 MeV

Quantité de lumière

N p.e. 1/ 2

Volume fiduciel- nominal 100 tons environ 1.25 m de scintillateur dans toutes les directions pour assurer un blindage contre le bruit des PMTs et structures mécaniques.

>rayon nominal de la cible: 4.22m (278 tonnes of scintillateur)

>le rayon effectif est obtenu: # 14C events # Thoron on the I.V. surface (emitted by the nylon-=80s) # External background gamma # Teflon diffusers on the IV surface > Le volume fiduciel correspond à 35.9% des évènements C14 - Une coupure à z<1.8 m est aussi appliquée (entrée de radon à une étape du remplissage)

Total fid. vol. effectif -->87 tons ; erreur estimée(conservative) : 25%

BACKGROUNDBACKGROUND

Thoron (220Rn) 212Bi-212Po432.8 ns Eff.: 93%

14C ---------->> 2.7 ± 0.6 10-18 14C/12C

Chaine 232Th ---->> étudiée via les descendants du radon 220 ( 220Rn)

---> 2.4 10-18 g/g 232Th equivalent F.V.

Background (cont.)Background (cont.)

---> < 2 10-17 g/g 238U equivalent

210Po (≈ 60 cpd/1ton) sans évidence de 210Bi - il se désintègre d - il est contrôlé par Pulse Shape Discrimination( )

• 238U - étudié per les descendants du radon 222Rn : coincidence 214Bi-214Po (236 s)- <2 cpd/100 tons efficacité: 99.3%

exp)=236±4s

Autres contaminants:

• 85Kr @ avec un endpoint voisin du recul de l’électron du 7Be @ il existe une branche rare 1.46 s-173 keV

514 keV

BR: 0.43% 2 candidats dans la cible en 47.4 d Borex coll. Astrop.8,1998--------> upper limit < 35 cpd/100 tons (90% c.l.) for 85Kr decayPlus de statistiques ---> pour le moment, paramètre libre dans le fit

• 210Bi @ pas d’évidence directe ----> paramètre libre dans le fit On ne peut, dans la zone du fit, le séparer du CNO

RESULT

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Spectre brut obtenu.

Action des coupures et de l’analyse des données

Spectre en énergie attendu - la raie du be est devenue un front (ν+e ν+e) - Les bruits de fond de 14C, 11C sont inévitables

Cpd/100 tons __soleil7Be: 49 ± 7 __bruit 85Kr:16 ± 9 __210Bi+CNO 19 ± 3



Première méthode d’analyse:Fit global

Pulse Shape Discrimination





PSD par bins de 20keV sur l’intervalle 200-800keV pour soustraction statistique

@ the times of the PMT hits

are compensated for the

travel distance





cpd/100 tons

__7Be: 47 ± 7

__85Kr: 22 ± 7

__210Bi+CNO:15 ± 4

__210Po(res.): 0.9 ± 1.2



Fit sur l’intervalle: 240-800 keV

Free parameters:7Be, CNO+210Bi,85Kr, 210Po (residual)

NDF= 41.9/47

Syst error- total width: 25%

ETAPES SUIVANTES

47 ± 7stat cpd/100tons for 862 keV 7Be solar

Avec l’oscillation des neutrinos mesurée en réacteurs nucléaires (m12

2=7.92·10-5 eV2,sin212=0.314)

Syst. Error:-total width: 25%

Les neutrinos changent de saveur.L’effet dépend de l’énergie

What nextWhat next@ mesurer le 7Be à mieux que 5 %

@ mesurer la raie pep; MAIS le 11C créé par les muons

Coupure autour du gamma créé par le neutron Pour tuer 11C

Neutron

Muon

CCn+

+e++e

n capture MeV)

#Borex. Coll.Phys.Rev.C74,2006

What next (cont.)What next (cont.)

@ les neutrinos p-p ?

@ variation du taux de neutrinos durant l’année

antineutrinos (from Sun, Earth,reactors) Borex. Coll. Eur. Phys.J. C47,2006

signature forte: +p n+e+ signal > 1 MeV ≈300s neutron capture: signal 2.2 MeV--->> geoneutrinosMain bckg: from reactorsIn 300 tons: 7- 17 ev/y (BSE)- S/N=1

Detection channel Any hierarchy

Inverse-Beta Decay(E > 1.8 MeV)

79

-p ES(E > 0.25 MeV)

55

12C()12C* (E = 15.1 MeV)

17

SUPERNOVA

La basse radioactivité permet la mesure des protons de recul créés par les neutrinos, ce qui donne accés à la température de l’étoile

Mesures de saveurs différentes+ protons de recul

(Responsabilité APC)

France (apc)

• Électronique– Flash ADC développé depuis des années (mark1:

CHOOZ; mark2 BOREXINO; mark 3: Double Chooz)– Commercialisé (accord de valorisation)– Plus particulièrement la physique au dessus du mev:

geoneutrinos et supernovae (APC est en charge de l’électronique correspondante)

• 4 Thèses

CONCLUSION

• Détecteur performant, avec un bruit de fond faible et contrôlé

• Des résultats de physique dans les années à venir

Documents

Les neutrinos solaires dans le détecteur Borexino premiers résultats (publiés en aout 07) Hervé de Kerret APC