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 Vue du soleil en neutrinos (à travers la terre)
Expérience super-Kamioka 65 milliards/cm2/seconde 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) Borexino fait la première mesure En temps réel des neutrinos <1Mev Expériences : Chlore(Davis),Gallex, Sudbury,Kamioka+super K,…

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 l’époque): ≤ 10-16g/g : Th, U.eq.;14C/12C ≈10-18. proto C.T.F.: tester les méthodes de purification jusqu’à 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 1st blindage: 1000 tons of liquide non scintillant deuxième nylon (contre le radon) 2200 photomultiplicateurs regardant le centre 2nd blindage: 2400 tonnes d’eau 200 PMTs pour marquer le passage d’un muon (veto)

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

8

9 Durant le remplissage d’eau

10 Durant le remplissage de scintillateur

11 Après remplissage de scintillateur

12 BRUITS DE FOND

13 RADIOACTIVITE Les grandes chaînes de radioactivité K40. Kr U238 Th232
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..

14 (Borex.Coll.,Astrop.Phys.16,2002)
PURIFICATION (Borex.Coll.,Astrop.Phys.16,2002) scintillator : PC: water extraction,distillation (80 mbar, C), N2 stripping : PPO purifié à part Ultrapure N2 : ultra pur Nitrogen: Rn< 0.1 mBq/m3 LAK Nitrogen: ppm Ar, 0.06 ppt Kr Eau: 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 Bq/m3) 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 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 m 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 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 .

18 résolution spatiale: 16 cm at 500 keV
Quantité de lumière La quantité de lumière est évaluée en fittant le spectre du C14 ( b decay-156 keV, end point) Borex. Coll. NIM A440,2000 LY≈500 p.e./MeV (quenching 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

19 Volume fiduciel- nominal 100 tons environ 1
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-t=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 14C >> ± C/12C Chaine 232Th ---->> étudiée via les descendants du radon 220 ( 220Rn) Thoron (220Rn)  212Bi-212Po t=432.8 ns Eff.: 93% ---> g/g 232Th equivalent F.V.

21 238U family ---->> 222Rn daughters 214Bi/214Po delayed
coincidence (t=236ms) ; 1 ms time window; space distance < 1m < 2 cpd/100 tons efficiency: 99.3 % Test during filling t exp.: 2. 36±ms Background (cont.) 238U - étudié per les descendants du radon 222Rn : coincidence 214Bi-214Po (t=236 ms)- <2 cpd/100 tons efficacité: 99.3% t(exp)= 236±4ms ---> < g/g 238U equivalent 210Po (≈ 60 cpd/1ton) sans évidence de 210Bi - il se désintègre t200 d - il est contrôlé par Pulse Shape Discrimination( a/b )

22 85Kr 210Bi Autres contaminants: @ il existe une branche rare 1.46 ms
@ b avec un endpoint voisin du recul de l’électron du 7Be @ il existe une branche rare ms b-173 keV g-514 keV BR: 0.43% candidats dans la cible en 47.4 d Borex coll. Astrop.8,1998 > upper limit < 35 cpd/100 tons (90% c.l.) for 85Kr decay Plus 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

23 RESULT

24 Spectre brut obtenu. 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 Spectre brut obtenu. Action des coupures et de l’analyse des données

25 __soleil7Be: 49 ± 7 __bruit 85Kr:16 ± 9 __210Bi+CNO 19 ± 3
Première méthode d’analyse: Fit global Cpd/100 tons __soleil7Be: 49 ± 7 __bruit 85Kr:16 ± 9 __210Bi+CNO ± 3

26 Pulse Shape Discrimination

27 @ the times of the PMT hits are compensated for the travel distance
PSD par bins de 20keV sur l’intervalle keV pour soustraction statistique @ the times of the PMT hits are compensated for the travel distance

28 Fit sur l’intervalle: 240-800 keV
cpd/100 tons __7Be: 47 ± 7 __85Kr: 22 ± 7 __210Bi+CNO:15 ± 4 __210Po(res.): 0.9 ± 1.2 Syst error- total width: 25% Fit sur l’intervalle: keV Free parameters:7Be, CNO+210Bi,85Kr, 210Po (residual) c2/NDF= 41.9/47

29 ETAPES SUIVANTES

30 47 ± 7stat cpd/100tons for 862 keV 7Be solar n
Syst. Error:-total width: 25% Les neutrinos changent de saveur. L’effet dépend de l’énergie Avec l’oscillation des neutrinos mesurée en réacteurs nucléaires (dm122=7.92·10-5 eV2,sin2q12=0.314)

31 What next @ mesurer le 7Be n 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 Muon m+12C-->11C+n+m 11B+e++ne Neutron n capture g (2.2 MeV) #Borex. Coll.Phys.Rev.C74,2006

32 What next (cont.) @ les neutrinos p-p ? @ variation du taux de neutrinos durant l’année

33 antineutrinos (from Sun, Earth,reactors)
Borex. Coll. Eur. Phys.J. C47,2006 signature forte: p n+e signal > 1 MeV ≈300ms neutron capture: signal 2.2 MeV --->> geoneutrinos Main bckg: from reactors In 300 tons: ev/y (BSE) S/N=1 Detection channel Any hierarchy Inverse-Beta Decay (En > 1.8 MeV) 79 n-p ES (En > 0.25 MeV) 55 12C(n,n)12C* (Eg = 15.1 MeV) 17

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

35 France (apc) Électronique 4 Thèses
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

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