Borexino: Egy napneutrínó-kisérlet ´ Manno Istvan ´ ´ Magfizikai Kutato´ Intezet ´ KFKI, Reszecskees 2007. julius 23.
´ erlet ´ – p.1/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Tartalomjegyzék Bevezetés ˝ A csillagászat fejlodése Az elektromágneses sugárzás A csillagászat rövid története Standard Modell A neutrino A neutrínó mint kutatási eszköz Ritka események Ritka események számának növelése Háttéresemények Védekezés a háttéresemények ellen ´ erlet ´ – p.2/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Tartalomjegyzék (folytatás) “Csendes fizika” (Underground Physics) I Laboratori Nazionali del Gran Sasso ˝ A foépület A C-terem A “csendes fizika” kisérletei Hol születnek a neutrínók? Mennyi energiát sugároz szét a Nap? Mekkora a Nap életkora? Madách Imre: “Az ember tragédiája” Miért tévedtek a fizikusok? ˝ ragyog a Nap? Mitol ´ erlet ´ – p.3/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Tartalomjegyzék (folytatás) Termonukleáris reakciók a Napban A napneutrínók A napneutrínók energiaspektruma A napneutrínó események szelektálása A neutrínófizika mérföldkövei A 37 Cl-kisérlet A 37 Cl-kisérlet (Homestake) A napneutrínók problémái A napneutrínó-problémák megoldásai A neutrínó-oszcilláció Az MSW-effektus ´ erlet ´ – p.4/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Tartalomjegyzék (folytatás) A 7 Be-8 B probléma A Borexino rövid története Borexino Borexino (ábra) Counting Test Facility (CTF) A CTF eredményei CTF Open Structure Hall-C and the CTF Water Tank
´ erlet ´ – p.5/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Bevezetés ˝ A Borexino napneutrínó-kisérlet azonos idoben masszív folyadékszcintillátoros detektálási technikával méri az alacsonyenergiájú napneutrínókat különös tekintettel a 7 Be-neutrínókra. Az elmélet alapján a neutrínó-oszcilláció legnagyobb hatása az energiaspektrum ezen részére esik. A kisérlet számos fontos kérdésre fogja keresni a választ a reszecskefizika, a geofizika és az asztrofizika területén. A detektor rádioaktivitás szempontjából ultratiszta szcintillátora, nagy luminozitása és alacsony ˝ az küszöbenergiája elso˝ alkalommal teszi lehetové alacsonyenergiájú események spektroszkopikus mérését. A kisérlet megvalósítására a Gran Sasso-i földalatti laboratóriumban kerül sor. ´ erlet ´ – p.6/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A csillagászat fejl˝odése A csillagászat a világegyetem megismerésével, az égitestek tanulmányozásával foglalkozó tudomány. mészettudományok közé tartozik.
A legrégebbi ter-
Irásos és régészeti emlékek
˝ tanuskodnak arról, hogy elodeink több évezrede már foglalkoztak ˝ kezdve egyre csillagászati problémákkal. A távcso˝ felfedezésétol több “ablak” nyilt ki a csillagos ég tanulmányozására. Különösen a XX. század második felében az emberi szem számára láthatatlan sugárzásokkal számos új jelenséget fedeztek fel például: az ˝ osrobbanásból származó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (CMBR), az aktív galaxismagokat (AGN), a gammasugárzási forrásokat (GRB), stb.
´ erlet ´ – p.7/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Elektromágneses sugárzás Sugárzás Rádió hosszú közép rövid
Hullámhossz (m)
Frekvencia (Hz)
3 × 10−1 < λ < 2 × 103
1.5 × 105 < ν < 3 × 1013
1.5 × 102 < λ < 6 × 102
5 × 105 < ν < 2 × 106
1 × 103 < λ < 2 × 103
1.5 × 101 < λ < 5 × 101
ultrarövid
1 < λ < 1.5 × 101
mikrohullám
3 × 10−5 < λ < 1
Infravörös Látható Ultraibolya Röntgen (X) Gamma (γ)
7.6 × 10−7 < λ < 3 × 10−4 3.8 × 10−7 < λ < 7.6 × 10−7 10−8 < λ < 3.8 × 10−7 10−12 < λ < 10−8 3 × 10−14 < λ < 3 × 10−10
1.5 × 105 < ν < 3 × 105 6 × 106 < ν < 2 × 107 2 × 107 < ν < 3 × 108 3 × 108 < ν < 1013
3 × 1012 < ν < 3.9 × 1014
3.9 × 1014 < ν < 7.8 × 1015 7.8 × 1014 < ν < 3 × 1016 3 × 1016 < ν < 3 × 1020 3 × 1018 < ν < 6 × 1022 ´ erlet ´ – p.8/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A csillagászat rövid története • 1608 hollandiai távcso˝ • 1590 olasz távcso˝ (Galilei) • 1945 számítógép (Neumann) • 1946 Radarcsillagászat (Bay) • Röntgencsillagászat
• 1964 neutrínócsillagászat • Rádiócsillagászat • Infravöröscsillagászat • Ultraibolyacsillagászat • Gammacsillagászat
´ erlet ´ – p.9/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A Standard Modell
´ erlet ´ – p.10/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Neutrínó ˝ A részecskék standard modellje a világmindenséget néhány építoelem (hat kvark és hat lepton és ezek antirészecskéi) és a köztük végbemeno˝ négy alapveto˝ kölcsönhatás segítségével írja le. Három elektromosan töltött leptont ismerünk: az elektront (e− ) és a hozzá hasonló, de nála nehezebb müont (µ− ) és a taut (τ − ). Minden töltött leptonhoz tartozik egy elektromosan semleges lepton, egy neutrínó: az elektronhoz az elektronneutrínó (νe ), a müonhoz a müonneutrínó (νµ ), a tauhoz pedig a tauneutrínó (ντ ). A neutrínók a gravitációskölcsönhatáson kívül csak a gyengekölcsönhatás˝ ban vesznek részt, ezért nagyon nehéz detektálni oket.
´ erlet ´ – p.11/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A neutrínó mint kutatási eszköz A neutrínók kiváló kutatási eszközök, szondarészecskék. Ennek az a magyarázata, hogy az anyaggal csak gyengén ˝ hatnak kölcsön. Az anyag alig abszorbeálja oket, az ˝ nem hatnak rájuk, így a elektromos és mágneses mezok ˝ egyenes vonalban érkeznek meg a keletkezési helyüktol ˝ detektorhoz, megorizve az információt a keletkezésük ˝ (impulzus, energia, a keletkezési helyükhöz körülményeirol mutató irány). Más szondarészecskéket az anyag abszorbeál. Az elektromosan töltött részecskéket eltérítik az elektromos és mág˝ neses mezok.
´ erlet ´ – p.12/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Ritka események Vannak olyan események, amelyek nagyon ritkán következnek be, ilyen események például az olyan bomlások, amelyeknek nagyon kicsi a bomlási állandójuk, vagy olyan részecskék kölcsönhatásai, amelyek az anyaggal nagyon gyengén hatnak kölcsön, nagyon kicsi a hatáskeresztmetszetük, ilyenek például a neutrínó-kölcsönhatások. ˝ A Nagy Magellán-felhoben 1987 február 23-án felragyogott egy szupernova (SN1987A). Ebben a csillagrobbanásban ∼ 1069 neutrínó keletkezett, ezek közül ∼ 1016 haladt át a
Kamiokande II. (3000(680) tonna víz) detektoron és a de˝ vett észre (detektált). tektor ezek közül csupán tizenkettot ´ erlet ´ – p.13/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A ritka események számának növelése ˝ A ritka események számát az esemény típusától függoen különbözo˝ módon lehet növelni: Nagy céltárgyat kell használni, amelyben sok részecske van (több ezer tonna). Nagy intenzitású részecskenyalábot kell alkalmazni. Ha lehetséges növelni kell a részecskék hatáskeresztmetszetét. Hosszú ideig kell mérni (több év).
´ erlet ´ – p.14/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Háttéresemények Háttéreseményeknek nevezzük azokat az eseményeket, amelyek a vizsgálni kivánt eseményekhez hasonló nyomot képesek hagyni a detektorban. A napneutrínó-események esetében a kozmikussugárzás és a természetes radioaktivitás háttéreseményeket hoznak létre. Azért, hogy a háttéresemények ne zavarják a vizsgálatra kiválasztott események kiértékelését, a számukat egy meghatározott érték alá kell csökkenteni.
´ erlet ´ – p.15/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Védekezés a háttéresemények ellen A háttéresemények elleni védekezésnek két módja van. Az aktív esetben fel kell ismerni a háttéreseményeket és a felismert eseményeket ki kell zárni a vizsgálni kivánt események közül (antikoincidencia, trigger, offline software). A passzív esetben, például a kozmikussugárzás ellen vastag anyagréteggel lehet védekezni. Ezért a kisértleteket mélyen a föld alatt, vagy a víz alatt végzik. A
természetes
radioaktivitás
ellen
pedig
úgy
lehet
védekezni, hogy a detektorban és a környezetében a ˝ radioaktivitás szempontjából megfeleloen tiszta anyagokat kell használni. ´ erlet ´ – p.16/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
“Csendes fizika” (Underground physics) ˝ ˝ Az utóbbi idoben egyre nagyobb érdeklodés kiséri az úgynnevezett “csendes fizikát”, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkezo˝ laboratóriumokban végeznek. A “Csendes fizika” a fizika egy viszonylag fiatal ága, amely csupán néhány évtizedes múltra tekinthet vissza. A “csendes fizika” két szempontból is találó elnevezés. ˝ Eloször is azért, mivel kozmikus csend uralkodik azokon a helyeken, ahol ezeket a kisérleteket végzik. Másodszor pedig azért, mert ezeken a helyeken nem lehet hallani a Föld felszínén létezo˝ zajokat. ´ erlet ´ – p.17/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso
´ erlet ´ – p.18/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Main Building
´ erlet ´ – p.19/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Hall-C
´ erlet ´ – p.20/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A “csendes fizika” kisérletei Vannak olyan problémák, amelyeket gyorsítós kisérletekkel lehetne tanulmányozni, azonban a jelenlegi gyorsítók ˝ kiindulva olyan nagy gyorsítót kellene építeni, méreteibol ˝ amelynek kerülete nagyobb lenne a Föld egyenlítojénél. Ilyen gyorsító megépítésére nyilvánvalóan nincs mód. ˝ Lehet, hogy az Univerzum születésekor az osrobbanásban (Big Bang) keletkeztek és még ma is léteznek egzotikus részecskék, mivel elkerülték azt, hogy a keletkezésük után találkozva antirészecskéjükkel annihilálódjanak. Ilyen esetben azt tehetjük, hogy építünk egy detektort és várjuk, hogy a részecske áthaladjon a detektoron. ´ erlet ´ – p.21/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Hol születnek a neutrínók? Részecskegyorsítókban, atombombarobbantásokban, atomreaktorokban. Földben a radioaktív bomlásokban és az atmoszférában a kozmikussugárzás hatására. A Napban és a csillagokban végbemeno˝ termonukleáris reakciókban. A szupernováknak nevezett csillagrobbanásokban. Az Univerzum más aktív részeiben, mint például az aktív galaxisokban. A sötét anyag annihilációjakor ˝ Az osrobbanásban (háttérneutrínók).
´ erlet ´ – p.22/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Mennyi energiát sugároz szét a Nap? 1 cm3 jég a Földön ∼40 perc alatt elovad egy nyári napon. A Nap-Föld távolságának megfelelo˝ sugarú (150 millió ˝ álló gömbhéj is elolvad kilométer), 1 cm vastag jégbol ∼40 perc alatt.
A Nap teljes felszínét beborító 0.44 km vastag jégréteg is elolvat ∼40 perc alatt. Ez a Föld térfogatának ∼2.5-szerese.
´ erlet ´ – p.23/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Mekkora a Nap életkora? A Nap által szétsugárzott energia és a Nap életkora olyan szoros kapcsolatban áll egymással, mint egy érem két oldala. • Kémiai reakció 3000-4000 év • 1862 Lord Kelvin: gravitáció 20 000 000 év • Charles Darwin: erózió és evolució 300 000 000 év • Mai tudásunk alapján: 4 600 000 000 év
´ erlet ´ – p.24/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Madách Imre: “Az ember tragédiája” Madách Imre 1860-ban írt drámájában, “Az ember tragédiájában”, Ádám újra meg újra testet ölt a történelem nagy alakjaiban, hogy újabb társadalmi modellt kipróbálva keresse az emberiség célját. A tizenkettedik színben a ˝ a természettudós a falanszter jelenetben a Nap végzetérol ˝ következoképpen elmélkedik: Négy ezredév után a Nap kihül, növényeket nem szül többé a Föld. E négy ezredév tehát a miénk, hogy a Napot pótolni megtanuljuk. Elég ido˝ tudásunknak, hiszem. (Szilárd
Leó
tragédiája”.)
kedvenc
olvasmánya
volt
“Az
ember
´ erlet ´ – p.25/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Miért tévedtek a fizikusok? A fizikusok a Nap életkorára azért adtak rosszabb becslést, ˝ mint Charles Darwin, mert ebben az idoben a fizikának még hiányoztak azok a részei, amelyek szükségesek a probléma megoldásához. Henri Bequerel 1896-ben fedezi fel a radioaktivitást. Albert Einstein 1905-ben publikálja a speciális relativitás elméletét és ebben a híres E = mc2 képletét.
´ erlet ´ – p.26/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Mit˝ol ragyog a Nap? Mélyen a Nap belsejében termonukleáris reakciókban négy proton (p) héliumatommaggá (42 He) alakul: 4p →42 He + 2e+ + 2νe + 26.73 MeV ,
ahol e+ a pozitront, νe pedig az elektronneutrínót jelöli. 1 eV = 1.602 × 10−19 Joule.
´ erlet ´ – p.27/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Termonukleáris reakciók a Napban pp
99.77%
p + p → d + e+ + ν
pep
0.23%
Hep 3 d + p → He + γ
15
p + e- + p → d + ν
O
10 % -5
15
N+p→ C+α
12
C + p → 13N + γ
12
15
O → 15N + e+ + ν
15
N + p → 16O + γ
16
O + p → 17F + γ
He + p → 4He + e+ + ν
3
13
17
N
15.08%
F
13
N→ C+e +ν
13
C + p → 14N + γ
13
+
17
F → 17O + e+ + ν
17
O + p → 14N + α
He + 4He → 7Be + γ
3
7
Be
99.9%
Be + e → Li + γ + ν
7
-
7
He + 3He → 4He + 2p
p-I
Be + p → B + γ
B
Li + p → 24He
7
14
N + p → 15O + γ
8
8
84.92% 3
0.1% 7
Main cycle
Secondary cycle
B → 24He + e+ + ν
8
p-II
p-III
CNO-cycle
pp-chain 98.5% CNO-cycle 1.5%
´ erlet ´ – p.28/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Napneutrínók Napneutrínóknak nevezzük azokat a neutrínókat, amelyek a Napban keletkeznek. A Nap által szétsugárzott energia mélyen a Nap belsejében keletkezik termonukleáris reakciók láncolatában. A reakcióknak ebben a láncolatában protonokból (p) több lépésben hélium (4 He) keletkezik. A reakciók közül többen elektronneutrínó keletkezik. A ˝ és a neutrínók könnyen kijutnak a Nap belsejébol ˝ számítva 2 másodperc alatt eljutnak a Nap keletkezésüktol felszínére és nyolc perc alatt elérik a Földet. A napneutrínók fluxusa a Föld felszínén: 6.57 × 1010 cm−2 s−1 . A napneutrínókat annak alapján osztályozzuk, hogy milyen reakciókban keletkeznek. Így például a p + p → d + e+ + νe reakcióban keletkezo˝ neutrínókat pp-neutrínóknak nevezzük.
´ erlet ´ – p.29/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A napneutrínók energiaspektruma 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 B→
8
Be →
7
pep →
-1
1
hep
10
´ erlet ´ – p.30/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A napneutrínó események szelektálása A napneutrínó-események számának növelése: Nagy céltárgy
(több ezer tonna)
Hosszú mérési ido˝
(több év)
A háttéresemények számának csökkentése: A kozmikussugárzás csökkentése: Passzív:
Védo˝ anyagréteg
Aktív:
µ-vétó
A természetes rádióaktivitás csökkentése: ˝ Külso:
Védo˝ anyagréteg
˝ Belso:
Tiszta anyagok Folyamatos tisztítás
A háttéresemények felismerése és eliminálása. ´ erlet ´ – p.31/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A neutrínófizika mérföldkövei 1946-ban Bruno Pontecorvo a Klór targetet javasolja a neutrínók detektálására: ν +37 Cl → e− +37 Ar .
1957-ben Bruno Pontecorvo felveti a ˝ neutrínó-oszcilláció lehetoségét. 1964-ben Raymond Davis Jr. elkezdi az úttöro˝ Cl-kisérletét a Homestake aranybányában. 1968-ban Raymond Davis bejelenti a Cl-kisérlet eredményeit és a napneutrínók problémáját (SNP).
´ erlet ´ – p.32/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
37
A Cl-kisérlet Ezt az úttöro˝ radiokémiai kisérletet 1964-ban kezdi el Ray Davis munkatásaival. A kisérlet 4850 láb mélyen található a Homstake aranybányában. A detektor tartályában 615 tonna tisztítószer (C2 Cl4 ) van. Az elektronneutrínó (νe ) a következo˝ reakciót hozza létre a detektorban: νe +
Az
37 Ar
37
Cl → e− +
37
Ar ,
Eth = 0.814 MeV .
atom instabil. A bomlásideje kb. 35 nap. A
atomok között található
37 Ar
37 Cl
atomok megkeresése hasonló
nagysárendu˝ feladat, mintha a Szahara homoksivatagban egy meghatározott homok szemet kellene megkeresni.
´ erlet ´ – p.33/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
37
A Cl-kisérlet (Homestake)
´ erlet ´ – p.34/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A napneutrínók problémái ˝ különbség van a mért és jósolt napneutrínó Jelentos fluxusok között. A különbség a mért és a jósolt érték között változik az energiával. 7 Be
- 8 B probléma. A napneutrínó-kisérletek detektálják a 8 B-neutrínókat, de nem detektálják a 7 Be-neutrínókat. Ez pedig ellent mond a pp-lánc logikájának, amely szerint a Bór a Berilliumból keletkezik.
´ erlet ´ – p.35/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A napneutrínó-problémák megoldása ˝ származó adatokat sokan analA napneutrínó-kisérletektol izálták és az az általános vélemény, hogy a mérési eredmények és az elméleti jóslatok közötti különbségekre nem lehet egyszeru˝ asztrofizikai magyarázatot találni. Másrészt a részecskefizikai megoldások, amelyek azon a feltételezésen alapulnak, hogy a neutrínóknak zérustól különbözo˝ tömegük van és ezért létrejön a neutrínó-oszcilláció jelensége, az összes mérési eredményre képesek magyarázatot adni. A jelenlegi napneutrínó kisérletek közül a Borexino-detektor az egyetlen, amely a napneutrínók energiaspektrumának a < 1 MeV tartományát képes mérni.
´ erlet ´ – p.36/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Neutrínó-oszcilláció Vákuum-oszcilláció P (νe → νµ ) = sin2 2ϑ sin2
πl lv
,
ahol lv = 2.5E/(∆m2 ), ϑ a keveredés szöge és ∆m2 = m22 − m21 a neutrínótömegek négyzetének a különbsége. MSW effektus (P.Mikheyev, A.Smirnov és L.Wolfenstein) PM SW (νe → νµ ) = sin2 2ϑ sin2
πl lm
2 sin2 ϑ 2 πlW sin = . 2 W lv
√ 2 2E 2GF Ne − cos ϑ . W 2 = sin2 2ϑ + 2 ∆m
´ erlet ´ – p.37/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
7
7
8
Be- B probléma
Be/ 8B Anomaly
1
0.9
0.8
neutrínó Φ/Φssm pp 1.0 7 Be 0.0 8B 0.4
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
´ erlet ´ – p.38/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
7
8
Be- B probléma 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
13
N
10
O
17
F 8 7
Be → pep →
-1
B→
hep
1
10
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
20
25
30
´ erlet ´ – p.39/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A Borexino rövid története 1987-ben R.S. Raghavan a AT & T Laboratories professzora javasolja a Borex kisérletet. A BOREX egy muszó, ˝ amelyet a kisérlet eredeti ˝ alkottak: Boron Solar Neutrino Experiment. A nevébol detektor 2000 t szcintillátora bórt tartalmazott: TMB (B(OCH3 )3 ). νe +11 B → β − +11 C∗
(CC) ,
νx +11 B → νx0 +11 B∗
(N C) .
˝ az együttmüködés, a megváltozott körülmények Késobb alapján egy kisebb (300 t) detektor építését határozta el. A kisérlet nevét is Borexinora vátoztatta, amely kis BOREXet jelent, ugyanúgy mint a neutron és neutrínó esetében.
´ erlet ´ – p.40/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Borexino Ez a detektor massziv folyadékszcintillátoros detektálási ˝ technikával azonosidoben méri a napneutrinókat különös tekintettel a 7 Be-neutrínókra. A detektor nagy luminozitása, a radióaktivitás szempontjából ultra-tiszta szcintillátor az ˝ az alacsonyenergiájú (< 1 elso˝ alkalommal teszi lehetové MeV) napneutrínók spektroszkópikus mérését. A kisérlet célja, hogy a ν + e → ν 0 + e0 neutrínó-elektron szórás segítségével mérje a 7 Be-neutrínókat a típusuktól függetlenül.
A Borexino számos érdekes problémát fog tanulmányozi a részecskefizika, a geofizika és az asztrofizika területén. ´ erlet ´ – p.41/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Borexino
´ erlet ´ – p.42/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Counting Test Facility 1995 februárjától muködik ˝ egy nagytérfogatú (4.8 m3 ) nemszegmentált folyadékszcintillátoros detektor a Gran Sasso-i földalatti laboratórium C-termében. Ez a detektor a Counting Test Facility elnevezést kapta.
Ennek a detektornak
˝ az volt a fofeladata, hogy különbözo˝ módszerekkel ultraalacsony radioaktivitás értéket mérjen és segítségével kifejlesztsenek olyan módszereket, amelyekkel ez az alacson ˝ keresztül fenttartható és folyamradioaktivitás hosszú idon atosan tisztítható.
´ erlet ´ – p.43/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A CTF eredményei A CTF rekordokat állított fel a nagytérfogatú szcintillátor radioaktivitásának mérése területén. A Borexino 10−16 g/g értékig képes mérni, amely négy nagyságrenddel felülmúlja a hagyományos módszereket (10−12 g/g). 14 C
koncentráció: 14
232 Th
C/12 C = (1.85 ± 0.13 ± 0.01) × 10−18
szennyezettség: −16 4.4+1.5 × 10 g/g . −1.2
238 U
szennyezettség: (3.5 ± 1.3) × 10−16 g/g . ´ erlet ´ – p.44/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
CTF Open Structure
´ erlet ´ – p.45/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
A C-terem és a CTF víztartálya
´ erlet ´ – p.46/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Hungarian contribution to Borexino Since 1994 two egineers, György Korga and László Papp, have been working on the construction of the Borexino detector. The collaboration is very content with their work. Since 1987, from the beginning of the collaboration I have been working for the Borexino collaboration, from 1987 to 1994 in Milano. I had the fortune to work for the first largevolume, non-segmented liquid scintillator detector. So I have faced and solved several problems concerning this kind of detectors for the first time. Some of them:
´ erlet ´ – p.47/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Shape of Light Guide Edge-ray method Light tipically enters a concentrator over a range of angles from head-on, or zero degrees, to some maximum angle. In the edge-ray method, all light rays entering at the maximum angle are directed, after one reflection at most, to the rim of the exit aperture. The remaining rays, at intermediate angles, should therefore be reflected within the exit aperture itself. This method works perfectly in two dimensions (trough-shaped concentrators) and nearly perfectly in three dimensions (cone-shaped concentrators).
´ erlet ´ – p.48/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Light collector design Edge-Ray Method
String Method
100
300
80 250
200
60
150 40
100
20 50
0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
0
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
´ erlet ´ – p.49/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Light collector of Borexino
´ erlet ´ – p.50/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Event Simulation The Monte-Carlo program simulates the photomultiplier signals of large scintillation detectors produced by the scintillation light. The light scattering, the refraction/reflection, the absorption and emission processes are taken into account in the simulation. The number of emitted scintillation photons are determined from the deposited energy.
Each scintillation photon is
tracked from its birth point to the point ehere it is detected or to the point where it is absorbed and no other photons are emitted. When a photon is detected then the produced charge and time signals are calculated. ´ erlet ´ – p.51/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Flowcharts of event simulation
´ erlet ´ – p.52/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Event reconstruction The algorithm calculates the space-time coordinates of the scintillation event and the deposited energy from the photomultiplier tube signals by means of statistical methods. If one has four PMT signals and the PMTs are not in the same plain, then the event’s space-time coordinates may be calculalated, from the PMT coordinates. The problem is that due to the scintillation decay and the PMT time jitter the error of the PMT time signal is in the order of few nanoseconds.
´ erlet ´ – p.53/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Event reconstruction
100
75
50
25
0
-25
-50
-75
-100
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
´ erlet ´ – p.54/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
α/β discrimination (PSD) The liquid scintillator exhibits a sizeable slow-decay component of the scintillation light from heavily ionizing particles such as proton and α-particle, commonly used to discriminate them from electrons and gamma rays. A statistical method was used to separate α-particles from the electrons and gamma rays. I have invented a statistical method to discriminate αparticles. It worked better then the usual tail to total method. I was very proud of it. Later I realised that unfortunately Kolmogorov has solved the problem earlier.
´ erlet ´ – p.55/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Scintillation decay curves 10
5
10
4
10
3
10
2
10
1
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
´ erlet ´ – p.56/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
α/β-discrimination 1.2 90
80
1
70 0.8 60
50 0.6 40 0.4
30
20 0.2 10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
´ erlet ´ – p.57/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Monitor ˝ a mért adatok minoségét ˝ A Monitor ellenorzi és a ˝ méroberendezés állapotát. Ehhez felhasznalja a mérési adatokat, a münok által hagyott jeleket, a detektor simmetria tulajdonságait stb.
´ erlet ´ – p.58/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
Monitor 6
4
run 726, gr 1, tdc 2 6000
0
5000
4000
-2 3000
-4 2000
-6
1000
0
-6 10
20
30
40
50
-4
-2
0
2
4
6
60
´ erlet ´ – p.59/59 Borexino: Egy napneutr´ıno-kis
