A Borexino napneutr´ın´o-kis´erlet ´es a Counting Test Facility (CTF) I. Manno December 10, 2012
1
Tartalom
• “Csendes fizika” (Underground Physics) • I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) • A neutr´ın´ok • A Nap • A napneutr´ın´ok • Borexino • Hozz´aj´arul´asom a Borexino napneutr´ın´o-kis´erlethez
2
“Csendes fizika” (Underground physics) Az ut´obbi id˝oben egyre nagyobb ´erdekl˝od´es kis´eri az u ´gynevezett “csendes fizik´at”, azokat a kis´erleteket, amelyeket m´elyen a f¨old alatt kis h´att´ersug´arz´assal rendelkez˝o laborat´oriumokban v´egeznek (Lev Borisovich Okun). • A proton stabilit´as´at. • A neutr´ın´okat. • A napneutr´ın´okat. • A szupernov´akat. • Az egzotikus r´eszecsk´eket • A s¨ot´et anyagot. • A kett˝os β-boml´ast Az ut´obbi id˝oben egyre t¨obb f¨oldalatti kis´erlet haszn´alja a t´avoli gyors´ıt´okkal gy´artott neutr´ın´okat is.
3
A neutr´ın´ o • A neutr´ın´o hipot´ezis • A neutr´ın´o kis´erleti kimutat´asa • A neutr´ın´o t´ıpusai • A neutr´ın´ok mint a r´eszecskefizika vizsg´alat´anak t´argyai • A neutr´ın´ok mint kutat´asi eszk¨oz¨ok (szondar´eszecsk´ek) • A neutr´ın´o-oszcill´aci´o
4
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Magass´ag Hossz´ us´ag Sz´eless´eg T´erfogat
20 m 100 m 18 m 180 000 m3
V´edelem (1494 m szikla) ∼ 3800 m.w.e. −1 −2 M¨ uonok 1µh m (6 nagys´agrend) m.w.e = meter in water equivalent
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS)
Az INFN1 a vil´ag legkorszer˝ ubb f¨oldalatti laborat´orium´at hozta l´etre az Appenninek legmagasabb hegycs´ ucsai alatt.
1
INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Az INFN ir´any´ıtja ´es finansz´ırozza a magfizikai ´es r´eszecskefizikai kutat´ asokat Olaszorsz´agban.
5
6
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso
7
A f˝o´ep¨ ulet
8
A C-terem
Mennyi energi´ at sug´ aroz sz´ et a Nap? • 1 cm3 j´eg a F¨old¨on egy ny´ari napon ∼ 40 perc alatt elolvad. • A Nap-F¨old t´avols´ag´anak (149.5 × 106 km) megfelel˝o sugar´ u, 1 cm vastag j´egb˝ol ´all´o g¨ombh´ej is elolvad ∼ 40 perc alatt. • Ha az el˝obb eml´ıtett j´egb˝ol ´all´o g¨ombh´ejat a Nap felsz´ın´ere zsugor´ıtjuk, akkor a Nap teljes felsz´ın´et bebor´ıt´o 0.44 km vastag j´egr´eteg is elolvad ∼ 40 perc alatt. Ez a F¨old t´erfogat´anak ∼ 2.5-szerese. A Paksi Atomer˝om˝ u teljes´ıtm´enye 3180 MW. A Nap ¨osszsug´arz´asa 3.86 × 1033 erg s−1 = 3.86 × 1026 Watt = 3.86 × 1020 MW. A F¨old minden n´egyzetm´eter´ere kb. 1.5 kW-nyi naps¨ ut´es ´arad. Ezt az energi´at felhaszn´alva pl. a Szahara homoksivatagban lehetne olyan er˝om˝ uvet ´ep´ıteni, amely 5.5 ´ora alatt annyi energi´at termelne, amely fedezn´e a F¨old egy ´eves energiasz¨ uks´eglet´et.
9
Mekkora a Nap ´ eletkora? • K´emiai reakci´o.
3000-4000 ´ev
• 1862 William Thomson, k´es˝obb Lord Kelvin: gravit´aci´o. 20 000 000 ´ev • 1859 Charles Darwin: er´ozi´o ´es evoluci´o. On The Origin of the Species by Natural Selection. 300 000 000 ´ev • Mai tud´asunk alapj´an:
4 600 000 000 ´ev
10
Mad´ ach Imre: “Az ember trag´ edi´ aja” N´egy ezred´ev ut´an a Nap kih¨ ul, n¨ov´enyeket nem sz¨ ul t¨obb´e a F¨old. Ez a n´egy ezred´ev h´at a mi´enk, hogy a Napot p´otolni megtanuljuk. El´eg id˝o tud´asunknak, hiszem. (Szil´ard Le´o kedvenc olvasm´anya volt “Az ember trag´edi´aja”.)
11
Mi´ ert nem tudtak a fizikusok helyes v´ alaszt adni? A fizikusok az´ert kaptak rosszabb becsl´est Darwinn´al, mert abban az id˝oben m´eg hi´anyoztak a fizik´anak azon r´eszei, amelyek a probl´ema megold´as´ahoz sz¨ uks´egesek. Henri Bequerel 1896-ban fedezi fel a radioaktivit´ast, Albert Einstein pedig 1905-ben publik´alja a speci´alis relativit´as elm´elet´et ´es benne a h´ıres E = mc2 k´eplet´et, amely a t¨omeg ´es energia equivalenci´aj´at ´ırja le. 1920-ban Sir Arthur Eddington felvetette, hogy a Nap ´altal sz´etsug´arzott energia magreakci´okban keletkezik ´es az energi´anak ez a forr´asa viszonylag k¨ozel van ´es “kimer´ıthetetlen”, amely kb. 15 × 109 ´evig fog ilyen mennyis´eg˝ u energi´at sug´arozni. A Nap ´eletkor´at ma az ˝osmeteoritokban ´es a Napban tal´alhat´o radi´oakt´ıv anyagok boml´asa alapj´an becs¨ ulj¨ uk.
12
pp
99.77%
p+p→d+e +ν +
pep
0.23%
p+e +p→d+ν -
Hep d + p → 3He + γ
10 % -5
3
He + p → 4He + e+ + ν
3
He + He → Be + γ
15.08% 4
7 7
7
Be
99.9%
Be + e → Li + γ + ν -
7
He + He → He + 2p 3
4
p-I
Be + p → B + γ 8
8
84.92% 3
0.1% 7
7
Li + p → 2 He 4
8
p-II
B
B → 2 He + e + ν 4
+
p-III
pp-l´ anc
Mit˝ ol ragyog a Nap? (Mi okozza a naps¨ ut´ est?)
Hans Bethe ´es munkat´arsainak munk´aja alapj´an tudjuk, hogy a Napban ´es m´as csillagokban protonokb´ol (p) nukle´aris reakci´ok sor´an h´eliummagok (α), pozitronok (e+) ´es elektronneutr´ın´ok (νe) keletkeznek. N´egy proton f´uzi´oja k¨ozben 26.7 MeV energia szabadul fel: 4p → α + 2e+ + 2νe + 26.7 MeV . 1 eV = 1.602 × 10−19 Joule.
13
A napneutr´ın´ o fluxusok N´ev Reakci´ o pp p + p → d + e+ + νe pep p + e− + p → d + νe hep 3 He + p → 4 He + e+ + νe 7 Be 7 Be + e− →7 Li + ν e 8B
8B
13 N
13 N
15 O 17 F
→ 2α + e+ νe →13 C + e+ + νe 15 O →15 N + e+ + ν e 17 F →17 O + e+ + ν e
fluxus(1010 cm−2 s−1 ) 6.0(1 ± 0.02) 1.4 × 10−2 (1 ± 0.05) 8 × 10−7 0.47 × (1 ± 0.15) 5.8 × 10−4 (1 ± 0.37) 6.0 × 10−2 (1 ± 0.5) 5.0 × 10−2 (1 ± 0.58) 5.2 × 10−4 (1 ± 0.47)
energia(MeV) < 4.20 1.442 < 18.77 0.861(90%) 0.383(10%) < 15 < 1.99 < 1.732 < 1.732
A napneutr´ın´ ok 4p → 4He + 2e+ + 2νe + 26.7 MeV , • pp-l´anc. Hans Bethe ´es munkat´arsai dolgozt´ak ki 1940ben. • CNO-ciklust 1938-ban dolgozta ki Karl Friedrich Weizs¨acker (aki k´es˝obb N´emetorsz´ag eln¨oke volt). A Napban az elm´elet szerint csak νe elektronneutr´ın´ok keletkeznek!
14
pp
99.77%
p+p→d+e +ν
pep
0.23%
p+e +p→d+ν
+
-
Hep d + p → 3He + γ
10 % -5
3
He + p → 4He + e+ + ν
3
He + He → Be + γ
15.08% 4
7
7
Be
7
99.9%
Be + e → Li + γ + ν -
7
He + He → He + 2p 3
4
Be + p → B + γ 8
8
B
84.92% 3
0.1% 7
7
Li + p → 2 He 4
p-I
8
B → 2 He + e + ν 4
+
p-II
p-III
pp-l´ anc
15
O
N+p→ C+α
15
12
O → 15N + e+ + ν
15
C+p→ N+γ
12
O+p→ F+γ
13
16
13
F
N→ C+e +ν 13
F→ O+e +ν
+
C+p→ N+γ
13
17
17
N
13
N + p → 16O + γ
15
14
17
N+p→ O+γ
14
15
Main cycle
17
+
O+p→ N+α
17
14
Secondary cycle
CNO-cycle CNO-ciklus
15
Solar neutrino spectrum 10
12
10
11
10
10
pp → 7
16
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
Be →
15
O
13
N
10
17
F 8 7
Be → pep →
-1
1
A napneutr´ın´ ok energiaspektruma
B→
hep
10
A napneutr´ın´ ok probl´ em´ aja 1946-ban Bruno Pontecorvo azt javasolja, hogy νe elektronneutr´ın´okat 37 Cl targettel detekt´alj´ak: νe +37 Cl →37 Ar + e− . 1964-ban Raymond Davis megkezdte u´tt¨or˝o kis´erlet´et, a 37Cl-kis´erletet, a Homestake aranyb´any´aban az Egyes¨ult ´ Allamokban. R. Davis az u´n. Standard napmodell (Standard Solar Model – SSM) ´altal megj´osolt ´ert´ekn´el l´enyegesen kevesebb napneutr´ın´ot detekt´alt. A j´osolt ´es m´ert ´ert´ek k¨oz¨otti elt´er´es kapta a napneutr´ın´ok probl´em´aja elnevez´es (Solar Neutrino Problem – SNP).
17
7
Be/ 8B Anomaly
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
A napneutr´ın´ ok u ´ jabb probl´ em´ aja (N. Hata ´ es P. Langacker (1994))
neutr´ın´o Φ/Φssm pp 1.0 7 Be 0.0 8 B 0.4
18
A kis´erleti eredm´enyek alapj´an elt´er´es van a kis´erleti eredm´enyek ´es az elm´eleti j´oslatok k¨oz¨ott ´es ez az elt´er´es m´as ´es m´as az energia spektrum k¨ul¨omb¨oz˝o r´eszein. Napneutr´ın´ o-probl´ em´ ak • Jelent˝os k¨ul¨onbs´eg van a m´ert ´es j´osolt napneutr´ın´o fluxusok k¨oz¨ott. • A k¨ul¨onbs´eg a m´ert ´es a j´osolt ´ert´ek k¨oz¨ott v´altozik az energi´aval. • 7Be - 8B probl´ema. A napneutr´ın´o-kis´erletek detekt´alj´ak a 8B-neutr´ın´okat, de nem detekt´alj´ak a 7Be-neutr´ın´okat. Ez pedig ellent mond a pp-l´anc logik´aj´anak, amely szerint a B´or a Berilliumb´ol keletkezik.
19
A napneutr´ın´ o-probl´ ema megold´ asa Az elm´elet szerint a Napban csak νe elektronneutr´ın´ok keletkeznek. M´erni kell a Napb´ol a detektorba ´erkez˝o Φ(νe) elektronneutr´ın´ok fluxus´at ´es a Napb´ol a detektorba ´erkez˝o Φ(νx ), νx = νe, νµ , ντ valamennyi neutr´ın´o fluxus´at a t´ıpusokt´ol f¨uggetlen¨ul. • Eredm´enyek – Nincs oszcill´aci´o, ha: Φ(νe) = Φ(νx) ,
νx = νe, νµ, ντ .
– Van oszcill´aci´o, ha: Φ(νe) < Φ(νx) ,
20
νx = νe, νµ, ντ .
Neutrino Oscillation 1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Neutr´ın´ o-oscill´aci´ o
Neutr´ın´ o-oszcill´ aci´ o Bruno Pontecorvo 1957-ben azt ´all´ıtotta, hogy ha a neutr´ın´oknak egym´ast´ol elt´er˝o t¨omeg¨uk van ´es ha a leptonsz´am nem t¨ok´eletesen megmarad´o mennyis´eg, akkor megval´osul a neutr´ın´o-oszcill´aci´o jelens´ege. νe → νµ, ντ ,
νµ → νe, ντ
21
vagy
ντ → νe, νµ .
V´ akuum-oszcill´ aci´ o
πL ), Lv ahol Lv = 2.5E/(∆m2 ), ϑ a kevered´es sz¨oge ´es ∆m2 = m22 − m21 . P (νe → νµ) = sin2 2ϑ sin2(
1.27∆m2L πL P (νe → νe) = 1−sin 2ϑ sin ( ) = 1−sin2 2ϑ sin2( ) . E Lv 2
2
πL 1.27∆m2L , = Lv E ahol: Lv =
πE E = 2.48( ). 1.27∆m2 ∆m2
22
MSW effektus (P.Mikheyev, A.Smirnov ´ es L.Wolfenstein)
PM SW (νe → νµ) = sin2 2ϑ sin2(
πl )= lm
2 sin2 ϑ 2 πlW sin ( ), W2 lv ahol 2
2
√
W = sin 2ϑ + ( 2GF Ne
23
2E − cos ϑ)2 . 2 ∆m
A napneutr´ın´ ok energi´ at´ ol f¨ ugg˝ o t´ ul´ el´ esi val´ osz´ın˝ us´ ege
A Napban keletkez˝o νe elektronneutr´ın´oknak a napmodell ´altal j´osolt energiaspektruma torzul amikor ´athaladnak a Nap ´es a F¨old s˝ur˝u anyag´an, mivel elektronneutr´ın´ok k¨olcs¨onhatva az elektronokkal a t¨olt¨ott-´aram k¨ozvet´ıt´es´evel akkora t¨omegre tehetnek szert, amely el´eri a m¨uonneutr´ın´ok, illetve a tauneutr´ın´ok t¨omeg´et ´es rezon´ans m´odon ´atalakulhatnak νµ m¨uonneutr´ın´ov´a vagy ντ tauneutr´ın´ov´a. ´Igy a spektrum torzul. Az MSW ´at´el´esi val´osz´ın˝us´ege PM SW (νe → νe), hogy egy elektronneutr´ın´o elektronneutr´ın´o marad f¨ugg a ∆m2 t¨omegn´egyzetek k¨ul¨onbs´eg´et˝ol, a ϑ, a k¨ul¨onb¨oz˝o neutr´ın´o t´ıpusok kevered´esi sz¨og´et˝ol, a neutr´ın´o energi´aj´at´ol az anyag elektrons˝ur˝us´eg´et˝ol ´es az elektron-neutr´ın´on k¨olcs¨onhat´as er˝os´eg´et˝ol.
24
Solar neutrino spectrum 10
12
10
11
10
10
pp → 7
10
9
10
8
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
Be →
15
O
13
N
10
17
F 8 7
Be → pep →
-1
B→
hep
1
10
Solar Neutrino Spectrum
Survival Probability 1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
5
10
15
Survival Probability
25
20
25
30
Borexino • A Botexino t¨ort´enete ´es neve • A Borexino detektor • A Counting Test Facility (CTF) • A Borexino n´eh´any eredm´enye
26
A Borexino napneutr´ın´ o-kis´ erlet t¨ ort´ enete ´ es neve • 1987-ben R.S.Raghavan az AT&T Laboratories professzora javasolta a Borex napneutr´ın´o-kis´erletet. • A borex egy m˝usz´o, amelyet a kis´erlet nev´eb˝ol alkottak: Boron Solar Neutrino Experiment. A detektor 2000 t szcintill´atora b´ort tartalmazott volna: TMB: (B(OCH)3)3. νe + νx +
11
B → β − +11 C∗ 11 B → νx +11 B∗
(CC) (N C)
• K´es˝obb az egy¨uttm˝uk¨od´es a megv´altozott k¨or¨ulm´enyek alapj´an egy kisebb (300 t) szcintill´atort tartalmaz´o detektort terveztek ´es a kis´erlet nev´et Borexinora v´altoztatt´ak, amely kis Borexet jelent a neutron ´es neutr´ın´o mint´aj´ara.
27
A Borexino n´ eh´ any eredm´ enye • Alacsony r´adioaktivit´asi szintek m´er´ese (10−16g/g) • A 7Be-neutr´ın´ok m´er´ese • A Pauli-f´ele kiz´ar´asi elv als´o hat´ara > 1025 − 1027´ev • F¨oldneutr´ın´ok m´er´ese
28
29
The Borexino detector
30
A CTF PMT-it tart´o ´allv´anyzat
Hozz´ azj´ arul´ asom a kis´ erlethez • F´enyvezet˝ok (LG) • Szimul´aci´o • A f´eny terjed´ese a folyad´ekszcintill´atorban • Az esem´enyek rekonstrukci´oja • Az esem´enyek azonos´ıt´asa (PSD)
31
32
A Borexino f´enygy¨ ujt˝oje egy fotoelektron-sokszor´oval
F´ enygy¨ ujt˝ ok Az´ert, hogy egy meghat´arozott sz´am´u PMT-vel t¨obb f´enyt gy¨ujts¨unk ¨ossze az “effectiv” t´erfogatb´ol, a PMT-ket f´enygy¨ujt˝okkel (Light Guide – LG) kell ell´atni. A f´eny a LG bej´arat´an (entry aperture) l´ep be a LG-ba ´es a kij´ar´at´an (exit aperture) t´avozik a LG-b´ol, ott ahol a PMT fotokat´odja tal´alhat´o, ´ıgy a f´eny a fotokat´odra esik. A LG fel¨ulet´et u´gy kell megtervezni, hogy az effekt´ıv t´erfogatb´ol. a lehet˝o leghat´ekonyabban ´es legegyenletesebben gy¨ujtse ¨ossze a f´enyt. Napf´ enygy¨ ujt˝ ok
A termodinamikai korl´at
A nagy olajv´als´ag idej´en, a 1970-es ´evek elej´en (1973) el˝ot´erbe ker¨ultek a nyersolajt´ol elt´er˝o energiaforr´asok. Felvet˝od¨ott annak az ¨otlete is, hogy a Nap sug´arz´asi energi´aj´at haszn´alj´ak fel. Ehhez olyan f´enygy¨ujt˝oket terveztek, amelyek az addig haszn´alt optikai eszk¨oz¨okn´el hat´ekonyabban gy¨ujt¨ott´ek ¨ossze a Nap sug´arz´as´at. A napkollektorokn´al haszn´alt m´odszert adopt´altam mind a CTF, mind a Borexino f´enygy¨ujt˝oinek tervez´es´ehez. A m´odszert “string” m´odszernek neveztem el. 33
A
napsug´ arz´ as
koncentr´ al´ as´ anak
A termodinamika II. f˝ot´etele szerint a h˝o mag´at´ol csak a melegebb helyr˝ol a hidegebb helyre ´aramlik, azaz a h˝om´ers´eklet-k¨ul¨onbs´egek kiegyenl´ıt˝odnek. A termodinamika II. f˝ot´etele alapj´an a F¨old felsz´ın´en nem lehet a napsug´arz´ast a Nap felsz´ın´en lev˝o h˝om´ers´ekletn´el magasabb h˝om´ers´ekletre koncentr´alni. Ellenkez˝o esetben egy olyan h˝og´epet lehetne k´esz´ıteni, amely munkav´egz´es n´elk¨ul h˝ot szivatty´uzna a F¨oldr˝ol a Napba ez pedig egy perpetuum mobile lenne. A f´enykoncentr´al´as maxim´alis ´ert´eke: termodinamikai korl´ atai.
C=
1 , sin2 ϑx
ahol ϑx a Nap l´at´osz¨og´enek a fele. Egy parabola t¨uk¨or eset´eben a f´enykoncentr´al´as maxim´alis ´ert´eke n´egyszer kisebb enn´el az ´ert´ekn´el.
34
A sz´ els˝ o sugarak m´ odszere Egy f´enygy¨ujt˝o a mer˝olegesen bees˝o (ϑ = 0) f´enysug´art´ol egy (ϑ = ϑx) maxim´alis sz¨ogig bees˝o f´enysugarakat gy¨ujti ¨ossze. A k´etdimenzi´os esetben a f´enygy¨ujt˝o profilj´at u´gy kell megtervezni, hogy a maxim´alis ϑx sz¨og alatt bees˝o f´enysugarak a f´enygy¨ujt˝o fel¨ulet´en maximum egy t¨ukr¨oz˝od´es ut´an a kij´arat sz´els˝o perem´ere essen (l´asd az ´abr´at). Az enn´el kisebb sz¨og alatt bees˝o f´enysugarak nyilv´anval´oan a kij´aratba esnek (0 ≤ ϑ ≤ ϑx). Elm´eletileg a 2D-s profil 100% hat´ekonys´aggal gy¨ujti a f´enyt. A 3D f´egy¨ujt˝o fel¨ulet´et a 2D-s profil szimmetriatengelye k¨or¨uli forgat´assal kapjuk. Az ´ıgy k´esz´ıtett f´enykoncentr´ator bej´arat´anak a sugara Rx, a kij´arat´anak a sugara Rn, a bej´arat ´es kij´arat t´avols´aga pedig L. A f´enykoncentr´aci´ot durv´an a bej´arat ´es a kij´arat fel¨ulet´enek ar´anya adja meg; C=(
Rx 2 ) . Rn
35
String m´ odszer A Nap eset´eben a f´enyforr´as “v´egtelen” t´avol van. ´Igy a sz´els˝o sugarak m´odszer´et u´gy v´altoztattam meg, hogy az olyan esetre is j´o legyen, ahol a forr´as ´es a detektor “k¨ozel” van egym´ashoz. Az LG profilj´at az ellipszis szerkeszt´es´enek u´n kert´eszek m´odszer´ehez2 hasonl´oan lehet megszerkeszteni. A f´enyvezet˝ok profilja az ellipszis tulajdons´agaihoz hasonl´o tulajdons´aggal rendelkezik. A CTF ´es a Borexino f´enygy¨ujt˝oinek profilj´at l´asd az ´abr´akon.
2
Az ellipszis szerkeszt´ese. Az ellipszis szerkeszt´es´enek u ´n. kert´eszek m´odszere szerint zsin´orb´ ol kell egy 2a + 2c hossz´ us´ ag´ u hurkot k´esziteni, amelyet r´ ahelyez¨ unk a k´et f´okuszpontba sz´ urt gombost˝ ure ´es egy ceruz´ aval a hurkot feszesen tartva megrajzolhatjuk az ellipszist. • Az ellipszis ´erint˝ oje ´es norm´alisa felezi az ´erint´esi ponthoz tartoz´o vez´ersugarak k¨ uls˝ o ´es bels˝ o sz¨ og´et.
36
Edge-Ray Method 100
80
60
40
20
0
-40
-30
-20
-10
0
10
A sz´els˝ o sugarak m´ odszere.
37
20
30
40
String Method
300
250
200
150
100
50
0
-100
-75
-50
-25
0
25
String m´ odszer.
38
50
75
100
