Università degli Studi di Milano Facoltà di Scienze e Tecnologie

Corso di Laurea Triennale in FisicaAnno Accademico 2012 - 2013

Titolo: Misura del tasso di interazione dei neutrini solare da 7𝐵𝑒nella Fase II dell’esperimento Borexino

Relatore: Lino MiramontiCorrelatore: Barbara Caccianiga

Candidato: Lorenzo DonegàMatr. 647539

Struttura: • Neutrino solare e Borexino

• Selezione dei dati• Studio della stabilità del rivelatore

• Misura di ν( 7𝐵𝑒) con fit spettrale

Il Sole produce energia attraverso reazioni termonucleari di fusione, principalmente con il ciclo pp: 4p → 4𝐻𝑒+2e++2ν𝑒

Reazione da 7𝐵𝑒: 7𝐵𝑒+e-→ 7𝐿𝑖+ν𝑒

Reazione a due corpi → neutrino monocromatico Eν= 862 keV

Flusso ν da 7𝐵𝑒 ≈ 7% Flusso totale ν solare

Il Sole produce solo neutrini elettronici ν𝑒

Esperimenti radiochimici come Homestake e Gallex/GNO e Cerenkov (SuperKamiokande, SNO) osservano meno neutrini solare di quelli attesi.

Ipotesi dell’OSCILLAZIONE del NEUTRINO nella materia confermata.

Un neutrino viene creato e rivelato come autostato di sapore νe , νμ , ντ ,ma si propaga come autostatodi massa ν1 , ν2 , ν3 .

Neutrino Solare e Borexino

• Borexino è un grande rivelatore a scintillazione• Installato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), prende dati dal

Maggio 2007• 278 ton di scintillatore liquido PPO in pseudodecumene (PC)• Sfera di nylon di raggio = 4.25 m, ~75 ton volume fiduciale• 2200 tubi fotomoltiplicatori (PMT) su sfera d’acciaio di raggio 6.85 m

Obiettivo: misurare ν solare E < 1 MeV, in particolare da 7Be attraversoSCATTERING su ELETTRONI νx + e- → νx + e-

Il ν trasferisce parte della sua energia all’elettrone di rinculo:

Te = Eν-E’ν =

Eν

1+𝑚𝑒𝑐

2

𝐸ν 1−cos θ

L’elettrone ha spettro continuo, anche se il ν e’ monocromatico.

Le interazioni del neutrino da7Be in Bx secondo il Modello Solare Standardsono decine al giorno per 100 t di scintillatore.

Radiopurezza dello scintillatore.

Neutrino Solare e Borexino

Il debole segnale di neutrino richiede bassi livelli di radioattività nello scintillatore e purezza dei materiali usati.• 20 anni di ricerca e sviluppo di tecniche di purificazione dello scintillatore (distillazione, water extraction).• I valori raggiunti per i contaminanti 238U e 232Th sono 10-18 g/g, migliori di quelli richiesti (10-16 g/g).

Il fondo residuo si descrive come:• Fondo interno: dato dai contaminanti dello scintillatore. Importanti per ν(7Be): 14C, 210Po, 210Bi, 85Kr.• Fondo esterno: eventi generati all’esterno dello scintillatore. γ da PMTs• Fondo di μ cosmici e isotopi indotti da μ: muoni che passano nello schermo depositano energia simile a ν da

7Be.

• Nella Fase I (Maggio 2007 – Maggio 2010) Borexino ha misurato per la prima volta il tasso in interazione di ν(7Be) con precisione del 5%.

• Successivamente si è attuata una campagna di purificazione dello scintillatore (Maggio 2010 – Agosto 2011).

Attualmente si è nella Fase II (inizio Gennaio 2012) e non sono ancora stati pubblicati dei risultati sulla misura di ν( 7𝐵𝑒).E’ importante verificare l’effettiva riduzione dei fondi e la loro stabilità nel tempo.

Neutrino Solare e Borexino

Conversione in energia E(≈ 500 fotoni/MeV)Dati presi da Gennaio 2012 a Giugno 2013, organizzati in 3 periodi.

Tagli standard: servono per massimizzare il rapporto segnale/rumore.

• μ cosmici e isotopi indotti. Riduco i μ grazie a rivelatore Cerenkov. Riduco gli isotopi indotti con interdizione per 300 ms.

• Evento singolo. Richiedo un singolo evento di scintillazione nel gate.

• Eliminazione eventi in coincidenza.• Eliminazione rumore elettronico.• Taglio sul volume fiduciale (FV). Selezione di

volume nello scintillatore con fondo esterno fortemente ridotto. R < 3 m. 𝑧 < 1.67 m.

• Discriminazione α/β. Taglio alcuni eventi α grazie a differente forma dell’impulso di scintillazione.

Selezione dei dati

I tagli standard

• Trigger: 25 PMTs danno segnale in 99 ns Salvo tempo e carica associati al segnale in un gate di 16.5 μs• Costruisco lo spettro sulla grandezza Np (n° PMTs che vedono almeno un fotone in ingresso)

• Elimino dati a bassa energia a causa del 14𝐶, Np < 50.

1 MeV

I tagli più importanti sono quelli sui μ e sul volume fiduciale, grazie ai quali riconosco il segnale di neutrino da 7Be.

Lo spettro dopo i tagli standard. Non si rimuovono tutti i fondi.

Riconosco i fondi principali del segnale di neutrino da 7𝐵𝑒.

• Np < 100, questa regione è dominata dal 14𝐶, decade βcon Q=156 keV, τ=8270 anni. Non eliminabile perché fa parte della struttura chimica del PC e PPO.

• 100 < Np < 200, 210𝑃𝑜, α di 5.3 MeV, τ=200 giorni.

Quenching lo sovrappone a ν( 7𝐵𝑒). Non è in equilibrio

con 210𝑃𝑏 e 210𝐵𝑖, forse contamina i tubi e viene trasportato nello scintillatore.

• 200 < Np < 300, caratteristica «spalla» del ν( 7𝐵𝑒).

• 100 < Np < 300, 85𝐾𝑟, β con Q=687 keV, τ=15 anni.210𝐵𝑖, β con Q=1.6 MeV, τ=7 giorni. Spettro simile al

segnale di ν( 7𝐵𝑒).

• 300 < Np < 600, 11𝐶 indotto da μ cosmici, decade β con τ=30 min. Continuamente rigenerato.

• 600 < Np, fondo esterno.

Selezione dei dati

In primo luogo studio la stabilità del rivelatore osservando l’evoluzione dei conteggi nel tempo.In base ai fondi presenti, divido lo spettro in intervalli di energia («finestre»).

Analisi dei conteggi nelle finestre

Selezione dei dati

Con questa analisi non ho informazioni assolute, ma solo un risultato qualitativo.

Conclusioni: Sostanziale stabilità dei fondi, tranne nelle finestre 2 e 4.• Finestra 2: decadimento atteso del polonio• Finestra 4: lieve diminuzione del bismuto

3

Conteggi da 210Bi, 85Kr, ν(7Be)

4

Conteggi da 210Bi, ν(7Be)

5

Conteggi da 11C

6

Conteggi da fondo esterno

Selezione dei dati

1

Conteggi da 210Bi, 85Kr, ν(7Be)

2

Conteggi da 210Po

Studio del fondo di 210𝑃𝑜

Il 210𝑃𝑜 (τ ≈ 200 giorni) è un isotopo della catena dell’ 238𝑈. E’ il fondo più presente in Borexino dopo il 14𝐶.Probabilmente presente dalla contaminazione degli impianti di gestione dei liquidi.Nella Fase I i conteggi del polonio erano molto alti nel volume fiduciale (≈ 1000 cpd/100 t).

Fit del picco del polonio con una gaussiana.Conteggi del polonio fortemente ridotti nella Fase II e osservo il suo decadimento.

Fit dei conteggi con funzione esponenziale, andamento atteso del decadimento. Il risultato del fit è:

A+B𝑒−𝑡

τ

Conclusioni: decadimento esponenziale con τ = 197.6 ± 4.9 giorni, in accordo il valore atteso 199.6 giorni, più un termine costante A = 4.7 ± 2.8 cpd/100t. Risultato consistente con presenza di una piccola

parte del polonio da catena con 210𝑃𝑏 e 210𝐵𝑖.

Selezione dei dati

Misura di ν( 7𝐵𝑒) con fit spettrale

Lo spettro che ho usato è quello che risulta dai tagli standard. Il fitter è un programma in C++ usato per l’analisi spettrale in Borexino. Ingressi del fitter:

Il fit dello spettro è necessario per misurare il segnale del ν( 7𝐵𝑒) isolandolo dai fondi non rimossi dai tagli.

• Spettro • Parametri che descrivono lo scintillatore • Forma dello spettro delle componenti attese (fondi, ν)

Parametri liberi del fitter: • Tassi d’interazione di ν e fondi• Conversione della scala d’energia

Misura di ν( 7𝐵𝑒) con fit spettrale

Risultato fit spettrale del tasso del neutrino solare da 7𝐵𝑒 su dati da 1 Gennaio 2012 al 1 Giugno 2013:

R( 7𝐵𝑒) = 46.3 ± 2.1 cpd/100 tQuesto valore è in ottimo accordo con la misura di ν( 7𝐵𝑒) della FASE I 46.0 ± 1.5 (stat) (sist) cpd/100te conferma la soluzione delle oscillazioni del neutrino MSW-LMA (senza oscillazioni attesi 74 ± 4 cpd/100t).

−1.6+1.5

Il fit spettrale permette di quotare i fondi del

segnale di neutrino da 7𝐵𝑒:

• Conteggi di 210𝐵𝑖 20.1 ± 2.6 cpd/100t rispetto alla Fase I (≈ 40 cpd/100t) si sono ridotti della metà

• Conteggi di 85𝐾𝑟 7.6 ± 2.6 cpd/100t rispetto alla Fase I (≈ 30 cpd/100t) la presenza di krypton è fortemente ridotta

Misura di ν( 7𝐵𝑒) con fit spettrale

Studio la presenza di eventuali errori sistematici sulla misura di ν( 7𝐵𝑒) associati al periodo di presa dati.

Tutti i valori sono entro l’errore statistico Ritengo che l’errore sistematico associato al periodo sia 0

• Si osserva che il bismuto decresce nel tempo (conferma l’analisi dei conteggi).

• Variazione totale -12.0 ± 6.2 cpd/100t.• Possibile spiegazione: contaminazione

legata a particolato che si deposita col tempo.

I risultati dei periodi 10 e 11 sono consistenti con lo 0. Il risultato del periodo 9 è dato possibilmente da rumore elettronico che il

fitter confonde con segnale di ν( 7𝐵𝑒).

1/2012 – 6/2013Diviso in 3 periodi ≈ uguali

Risultato del fit nel tempo per il segnale da ν(7Be)

Risultato del fit nel tempo per il bismuto Risultato del fit nel tempo per il krypton

Misura di ν( 7𝐵𝑒) con fit spettrale

Studio la presenza di eventuali errori sistematici sulla misura di ν( 7𝐵𝑒) associati alla procedura di fit.

• Con e senza taglio di discriminazione su α/β• Cambiando l’intervallo di fit

Quantifico l’errore sistematico associato al fit nel 2.6%.

Concludo che la mia misura del tasso di neutrino solare da 7𝐵𝑒 è 46.3 ± 2.1 ± 1.2 cpd/100 t

Conclusioni

Dal mio lavoro in questa tesi posso concludere che il risultato del tasso di interazione del neutrino solare da 7𝐵𝑒,per i dati disponibili della Fase II di Borexino (Gennaio 2012 – Giugno 2013) è 46.3 ± 2.1 ± 1.2 cpd/100 t, in accordo con il valore pubblicato per la Fase I.

Sia il segnale di neutrino, sia i fondi radioattivi sono stabili nel tempo.

Dallo studio condotto ho trovato che i livelli dei fondi di bismuto e krypton sono stati fortemente ridotti dalla campagna di purificazione dello scintillatore.

La precisione della mia misura nella Fase II è del 5%, confrontabile con quella del valore pubblicato della Fase I.In prospettiva si può aumentare la precisione al 3% nella Fase II includendo altri dati (fino a 2015) per ridurre l’errore statistico e grazie alla nuova campagna di calibrazione prevista nel 2015 per ridurre l’errore sistematico.