Borexino indsamler den første retningsbestemte måling af sub-MeV solneutrinoer ved hjælp af en monolitisk scintillationsdetektor

Borexino er et storstilet partikelfysikeksperiment, der indsamlede data indtil oktober 2021. Dets vigtigste mission var at studere lavenergi (sub-MeV) solneutrinoer ved hjælp af Borexino-detektoren, verdens mest radiorene væskescintillatorkalorimeter, placeret ved Laboratori Nazionali del Gran Sasso nær Aquila i Italien.

Borexino Collaboration, forskerholdet, der udfører eksperimentet, indsamlede for nylig den første eksperimentelle måling af sub-MeV solneutrinoer ved hjælp af en scintillationsdetektor. Denne måling, præsenteret i et papir offentliggjort i Physical Review Letters , kunne åbne nye muligheder for hybrid rekonstruktion af partikelfysiske hændelser ved at bruge Cherenkov og scintillationssignaturer samtidigt.

"Hovedidéen bag dette arbejde var at indsamle eksperimentelt bevis for, at det er muligt at bruge informationen givet af Cherenkov-fotonerne selv i en monolitisk scintillationsdetektor," siger Johann Martyn, en af ​​forskerne, der har udført undersøgelsen, til Phys.org .

I øjeblikket er der to hovedtyper af detektorer til at studere neutrinoer, nemlig vand Cherenkov-detektorer, såsom Super-Kamiokande (SNO)-detektoren og væskescintillator-detektorer, såsom Borexino-detektoren. I Cherenkov-detektorer for vand spreder neutrinoer elektroner i mediet. Hvis disse elektroner bevæger sig hurtigere end lysets hastighed i vandet, producerer de Cherenkov-stråling.

"Denne Cherenkov-stråling udsendes i en kegle rundt om elektronretningen, hvilket gør det muligt at skelne mellem solneutrinoer (som kommer fra solen) og radioaktiv baggrund (kommer overalt i detektoren)," forklarede Martyn. "Men da det absolutte antal Cherenkov-fotoner er lille (~30 fotoner ved 3,5 MeV aflejret energi i super-Kamiokande), er den lave energitærskel relativt høj sammenlignet med scintillationsdetektorer."

I modsætning til Cherenkov-vanddetektorer producerer flydende scintillatorer langt flere fotoner gennem en proces kendt som "scintillation". Under scintillation exciterer en neutrino-induceret elektron scintillatormolekylerne, som igen producerer fotoner. I Borexino resulterer dette i produktionen af ​​cirka 500 fotoner ved 1 MeV aflejret energi.

"Dette gør det muligt at undersøge solneutrinoer med meget lavere energier og som sådan undersøge fusionsproduktionskanalerne for disse lavenergisolneutrinoer," sagde Martyn. "Samtidig udsendes scintillationsfotonerne dog isotropt, hvilket betyder, at der ikke er nogen retningsbestemt information tilbage."

Mens væskescintillatorer stadig kan producere fotoner ved lave energier, er det relative forhold mellem disse fotoner så lille, at det ikke kan bruges til at udføre standard hændelses-for-hændelse analyser. For eksempel producerer Borexino-detektoren ved lave energier ca. ~1 Cherenkov-foton pr. neutrino-hændelse. I deres nylige papir brugte Martyn og hans kolleger en statistisk metode til at opsummere Cherenkov-fotonerne produceret i alle neutrinohændelser registreret af detektoren.

"Ved at bruge vores metode, selvom vi kun har 1 Cherenkov-foton pr. neutrino-begivenhed, har vi omkring 10.000 neutrino-begivenheder i alt, hvilket giver os også omkring 10.000 Cherenkov-fotoner, som kan bruges i analyser," sagde Martyn. "Dette giver os mulighed for at kombinere styrken af ​​begge detektortyper:at se på lavenergi-neutrinoer (udløst af scintillationslyset), men ved at bruge retningsinformationen fra solneutrinoer til at differentiere begivenhedsrelaterede signaler fra baggrundsstråling."

I sig selv er den nylige måling indsamlet af Borexino Collaboration ikke særlig imponerende, især når man sammenligner med konventionelle Borexino-analyser kun baseret på scintillationslys. Ikke desto mindre kan denne nylige undersøgelse have vigtige implikationer, da den eksperimentelt viser, at det faktisk er muligt at udføre en hybrid neutrinoanalyse.

"Borexino er en væskescintillator (LS) detektor med ~280t LS i et sfærisk volumen på 6,5 m radius og ~2000 fotomultiplikatorrør (PMT'er)," forklarede Martyn. "Hvis en solneutrino interagerer i scintillatoren, spreder den en elektron, som igen exciterer scintillatormolekylerne. Disse molekyler udsender derefter fotoner, som detekteres af PMT'erne."

Mængden af ​​scintillationsfotoner produceret af Borexino afhænger af energien af ​​elektronen spredt af solneutrinoer. Som et resultat kan forskerne matematisk oversætte antallet af protontræf på PMT'erne til en elektronenergi.

"Problemet er, at radioaktiv baggrund også producerer elektroner, som exciterer scintillatormolekylerne på samme måde," forklarede Martyn. "Den normale Borexino-analyse udføres således ved at se på det detekterede energispektrum for mange begivenheder. Brintfusionen inde i solen producerede neutrinoer med forskellige energier, og dette producerer et bestemt energispektrum, som ser anderledes ud for solneutrinoer og for baggrund. Sammenligning af de målte spektrum med det kendte spektrum af alle mulige solneutrinoer og radioaktive baggrundsspektre gør det muligt at udlede antallet af neutrinoer."

Den nye statistiske tilgang implementeret af Martyn og hans kolleger var kernen i den succesrige hybridmåling, de opdagede. I stedet for direkte at se på energispektret undersøgte holdet fordelingen af ​​PMT-hits for mange neutrinohændelser i forhold til solens position.

"Da neutrinoerne kommer fra solen, og elektronerne for det meste er spredt i samme retning, som neutrinoerne kom fra, kan vi se Cherenkov-fotonernes bidrag som en lille top, mens scintillationsfotonerne såvel som de radioaktive baggrunde er isotrope og producere en flad fordeling."

Analysen skitseret i holdets seneste papir inkluderer hændelser i et energiområde mellem 0,5-0,7 MeV. Dette er det energiområde, hvor Martyn og hans kolleger forventede at observere det højeste antal neutrinoer i forhold til baggrundsstrålingen.

De hændelser, de analyserede, blev alle registreret under den første fase af Borexino-eksperimentet, der spænder fra 2007 til 2011. Hovedårsagen til dette er, at samarbejdet i løbet af den tid havde adgang til kalibreringsdata, som de havde brug for for korrekt at estimere antallet af neutrinoer interagerer med scintillatoren.

Faktisk, mens holdet effektivt måler Cherenkov-fotoner, skal de så være i stand til at oversætte denne måling til antallet af neutrinohændelser. For at gøre dette skal de kende antallet af Cherenkov-fotoner, der ville blive produceret for hver neutrinohændelse, som er relateret til kalibreringsdataene.

"Borexino er et meget ugunstigt miljø at tælle Cherenkov-fotoner, da det aldrig blev bygget eller forventet at udføre en sådan opgave," sagde Martyn. "Så den mest bemærkelsesværdige præstation er, at vi viste, at retningsinformationen er tilgængelig selv i denne monolitiske scintillationsdetektor."

I fremtiden kan målingen indsamlet af Borexino Collaboration bane vejen for nye hybridpartikelfysiske eksperimenter, der kombinerer styrkerne fra scintillation og Cherenkov-detektorer. Da deres resultat er eksperimentelt og ikke udelukkende er baseret på simuleringer, demonstrerer det klart gennemførligheden af ​​disse hybrideksperimenter.

I deres næste undersøgelser planlægger Martyn og hans kolleger at fokusere på en type neutrinoer kaldet CNO-cyklus neutrinoer. Disse er neutrinoer, der produceres under CNO-cyklussen, en proces, hvor brint smeltes ind i helium via en katalytisk reaktion mellem kulstof, nitrogen og oxygen.

CNO-cyklussen forventes at bidrage til cirka 1 % af al brintfusion i solen. De neutrinoer, der produceres under denne proces, har derfor lave statistikker.

"I Borexino har vi også problemet med den radioaktive baggrund fra 210Bi, som spektrum ligner meget spektret af CNO-cyklus neutrinoer," tilføjede Martyn. "Selvom Borexino er ultra-radiorent, gør kombinationen af ​​statistikkerne med lav neutrino og ligheden mellem energispektrene mellem signalet og 210Bi-baggrunden en CNO-neutrinoanalyse udfordrende. I et af vores tidligere værker fandt vi eksperimentelle beviser på neutrinoer produceret i CNO-fusionscyklussen. Som et næste trin i vores forskning vil vi forsøge at inkludere retningsinformationen som et supplement til standardanalysen i denne CNO-energiregion (~0,9 til 1,4 MeV)." + Udforsk yderligere

Team hos Borexino viser, at det er muligt at have retnings- og energifølsomhed, når man studerer solneutrinoer

© 2022 Science X Network