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

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

2 Laboratori Nazionali del Gran Sasso Abruzzo, Italy 120 Km from Rome

3 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/cm 2 /seconde Borexino fait la première mesure En temps réel des neutrinos <1Mev

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

5 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 lépoque): g/g : Th, U.eq.; 14 C/ 12 C proto C.T.F.: tester les méthodes de purification jusquà g/g U,Th equiv.

6 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 1 st blindage: 1000 tons of liquide non scintillant 2 nd blindage: 2400 tonnes deau 2200 photomultiplicateurs regardant le centre 200 PMTs pour marquer le passage dun muon (veto) deuxième nylon (contre le radon)

7 Borexino Collaboration Kurchatov Institute (Russia) Dubna JINR (Russia) Heidelberg (Germany) Munich (Germany) Jagiellonian U. Cracow (Poland) Perugia Genova APC Paris Milano Princeton University Virginia Tech. University

8

9 Durant le remplissage deau

10 Durant le remplissage de scintillateur

11 Après remplissage de scintillateur

12 BRUITS DE FOND

13 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 lair), 4j de temps de vie (suffisant pour migrer) –Puis Bismuth Polonium (dit Bi Po) coincidence –Puis Pb 210 (22ans), Bi 210,Po 210, et enfin Pb 210 –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..

14 PURIFICATION (Borex.Coll.,Astrop.Phys.16,2002) scintillator : PC: water extraction,distillation (80 mbar, C), N2 stripping : PPO purifié à part Ultrapure N 2 : ultra pur Nitrogen: Rn< 0.1 Bq/m 3 LAK Nitrogen: ppm Ar, 0.06 ppt Kr Eau: U/Th equivalent: g/g, 222 Rn<1 mBq/m 3, 226 Ra<0.8 mBq/m 3 Selection des composants, surfaces électropolies et passivées : <10 -8 bar cm 3 s -1 ( Rn dans le hall Bq/m 3 ) Toutes les opérations en salle propre: classes 10,100,1000; le détecteur lui- même est maintenu salle propre de classe 10000

15 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.

16 Data acquisition Electronique testée avec N 2 (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 14 C) veto 6 PMT touchés (99.8 %) 2 ms temps mort après chaque traversant le scintillateur (taux s -1).

17 >> 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 lévènement et lénergie déposée). Une coupure sur le rayon sera faite; >> 47.4 jours de prise de données >>deux analyses indépendantes >>La reconstruction nest pas encore calibrée par insertion de sources signaux internes utilisés.

18 La quantité de lumière est évaluée en fittant le spectre du C14 ( decay-156 keV, end point) Borex. Coll. NIM A440,2000 LY500 p.e./MeV quenching de lélectron 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

19 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: # 14 C 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%

20 BACKGROUND BACKGROUND Thoron ( 220 Rn) 212 Bi- 212 Po ns Eff.: 93% 14 C >> 2.7 ± C/ 12 C Chaine 232 Th ---->> étudiée via les descendants du radon 220 ( 220 Rn) ---> g/g 232 Th equivalent F.V.

21 Background (cont.) 238 U family ---->> 222 Rn daughters 214 Bi/ 214 Po delayed coincidence ( =236 s) ; 1 ms time window; space distance < 1m < 2 cpd/100 tons efficiency: 99.3 % Test during filling exp.: 2. 36± s ---> < g/g 238 U equivalent 210 Po ( 60 cpd/1ton) sans évidence de 210 Bi - il se désintègre d - il est contrôlé par Pulse Shape Discrimination( ) 238 U - étudié per les descendants du radon 222 Rn : coincidence 214 Bi- 214 Po ( 236 s)- <2 cpd/100 tons efficacité: 99.3% exp)= 236±4 s

22 Autres contaminants: 85 avec un endpoint voisin du recul de lélectron du 7 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, > upper limit < 35 cpd/100 tons (90% c.l.) for 85 Kr decay Plus de statistiques ---> pour le moment, paramètre libre dans le fit 210 pas dévidence directe ----> paramètre libre dans le fit On ne peut, dans la zone du fit, le séparer du CNO

23 RESULT

24 Spectre brut obtenu. Action des coupures et de lanalyse des données Spectre en énergie attendu - la raie du be est devenue un front (ν+e ν +e) - Les bruits de fond de 14 C, 11 C sont inévitables

25 Cpd/100 tons __soleil 7 Be: 49 ± 7 __bruit 85 Kr:16 ± 9 __ 210 Bi+CNO 19 ± 3 Première méthode danalyse: Fit global

26 Pulse Shape Discrimination

27 PSD par bins de 20keV sur lintervalle keV pour soustraction the times of the PMT hits are compensated for the travel distance

28 cpd/100 tons __ 7 Be: 47 ± 7 __ 85 Kr: 22 ± 7 __ 210 Bi+CNO:15 ± 4 __ 210 Po(res.): 0.9 ± 1.2 Fit sur lintervalle: keV Free parameters: 7 Be, CNO+ 210 Bi, 85 Kr, 210 Po (residual) NDF= 41.9/47 Syst error- total width : 25%

29 ETAPES SUIVANTES

30 47 ± 7 stat cpd/100tons for 862 keV 7 Be solar Avec loscillation des neutrinos mesurée en réacteurs nucléaires ( m 12 2 =7.92·10 -5 eV 2, sin 2 12 =0.314) Syst. Error:-total width: 25% Les neutrinos changent de saveur. Leffet dépend de lénergie

31 What mesurer le 7 Be à mieux que 5 mesurer la raie pep; MAIS le 11 C créé par les muons Coupure autour du gamma créé par le neutron Pour tuer 11 C Neutron Muon C C n+ +e + + e n capture MeV) #Borex. Coll.Phys.Rev.C74,2006

32 What next les neutrinos p-p variation du taux de neutrinos durant lannée

33 antineutrinos (from Sun, Earth,reactors) Borex. Coll. Eur. Phys.J. C47,2006 signature forte: +p n+e + signal > 1 MeV 300 s neutron capture: signal 2.2 MeV --->> geoneutrinos Main bckg: from reactors In 300 tons: ev/y (BSE)- S/N=1 Detection channelAny hierarchy Inverse-Beta Decay (E > 1.8 MeV) 79 -p ES (E > 0.25 MeV) C( ) 12 C* (E = 15.1 MeV) 17

34 SUPERNOVA La basse radioactivité permet la mesure des protons de recul créés par les neutrinos, ce qui donne accés à la température de létoile Mesures de saveurs différentes + protons de recul (Responsabilité APC)

35 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 lélectronique correspondante) 4 Thèses

36 CONCLUSION Détecteur performant, avec un bruit de fond faible et contrôlé Des résultats de physique dans les années à venir


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