Borexino is een grootschalig deeltjesfysica-experiment dat gegevens heeft verzameld tot oktober 2021. De belangrijkste missie was het bestuderen van lage-energie (sub-MeV) zonne-neutrino's met behulp van de Borexino-detector, 's werelds meest radiozuivere vloeibare scintillator-calorimeter, gelegen aan de Laboratori Nazionali del Gran Sasso in de buurt van Aquila, in Italië.

De Borexino Collaboration, het onderzoeksteam dat het experiment uitvoert, heeft onlangs de eerste experimentele meting van sub-MeV zonne-neutrino's verzameld met behulp van een scintillatiedetector. Deze meting, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Physical Review Letters , zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de hybride reconstructie van deeltjesfysica-gebeurtenissen met gelijktijdig gebruik van Cherenkov- en scintillatiesignaturen.

"Het belangrijkste idee achter dit werk was om experimenteel bewijs te verzamelen dat het mogelijk is om de informatie van de Cherenkov-fotonen te gebruiken, zelfs in een monolithische scintillatiedetector," vertelde Johann Martyn, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, aan Phys.org .

Momenteel zijn er twee hoofdtypen detectoren voor het bestuderen van neutrino's, namelijk water Cherenkov-detectoren, zoals de Super-Kamiokande (SNO)-detector en vloeistofscintillator-detectoren, zoals de Borexino-detector. In water-Cherenkov-detectoren verstrooien neutrino's elektronen in het medium. Als deze elektronen sneller bewegen dan de lichtsnelheid in het water, produceren ze Cherenkov-straling.

"Deze Cherenkov-straling wordt uitgezonden in een kegel rond de elektronenrichting, wat het mogelijk maakt onderscheid te maken tussen zonne-neutrino's (afkomstig van de zon) en radioactieve achtergrond (afkomstig van overal in de detector),", legt Martyn uit. "Omdat het absolute aantal Cherenkov-fotonen echter klein is (~ 30 fotonen bij 3,5 MeV gedeponeerde energie in super-Kamiokande), is de lage energiedrempel relatief hoog in vergelijking met scintillatiedetectoren."

In tegenstelling tot water-Cherenkov-detectoren produceren vloeibare scintillatoren veel meer fotonen, via een proces dat bekend staat als 'scintillatie'. Tijdens scintillatie prikkelt een neutrino-geïnduceerd elektron de scintillatormoleculen, die op hun beurt fotonen produceren. In Borexino resulteert dit in de productie van ongeveer 500 fotonen bij 1 MeV afgezette energie.

"Dit maakt het mogelijk om zonneneutrino's met veel lagere energieën te onderzoeken en als zodanig de fusieproductiekanalen van deze laagenergetische zonneneutrino's te onderzoeken," zei Martyn. "Tegelijk worden de scintillatiefotonen echter isotroop uitgezonden, waardoor er geen richtingsinformatie meer is."

Hoewel vloeibare scintillatoren nog steeds fotonen kunnen produceren bij lage energieën, is de relatieve verhouding van deze fotonen zo klein dat het niet kan worden gebruikt om standaard event-by-event analyses uit te voeren. Bij lage energieën produceert de Borexino-detector bijvoorbeeld ongeveer ~ 1 Cherenkov-foton per neutrino-gebeurtenis. In hun recente artikel gebruikten Martyn en zijn collega's een statistische methode om de Cherenkov-fotonen op te tellen die werden geproduceerd in alle neutrino-gebeurtenissen die door de detector werden geregistreerd.

"Met onze methode hebben we, zelfs als we maar 1 Cherenkov-foton per neutrino-gebeurtenis hebben, in totaal ongeveer 10000 neutrino-gebeurtenissen, wat ons dan ook ongeveer 10000 Cherenkov-fotonen geeft die in analyses kunnen worden gebruikt," zei Martyn. "Hierdoor kunnen we de kracht van beide detectortypes combineren:kijken naar neutrino's met lage energie (getriggerd door het scintillatielicht) maar met behulp van de directionele informatie van zonne-neutrino's om gebeurtenisgerelateerde signalen te onderscheiden van achtergrondstraling."

Op zich is de recente meting die is verzameld door de Borexino-samenwerking niet bijzonder indrukwekkend, vooral niet in vergelijking met conventionele Borexino-analyses die alleen op scintillatielicht zijn gebaseerd. Desalniettemin kan dit recente onderzoek belangrijke implicaties hebben, aangezien het experimenteel aantoont dat het uitvoeren van een hybride neutrino-analyse wel degelijk mogelijk is.

"Borexino is een vloeistofscintillator (LS)-detector met ~280 ton LS in een bolvormig volume met een straal van 6,5 m en ~2000 fotomultiplicatorbuizen (PMT's)", legt Martyn uit. "Als een zonne-neutrino interageert in de scintillator, verstrooit het een elektron, dat op zijn beurt de scintillatormoleculen prikkelt. Deze moleculen zenden vervolgens fotonen uit die worden gedetecteerd door de PMT's."

De hoeveelheid scintillatiefotonen die door Borexino worden geproduceerd, hangt af van de energie van het elektron dat wordt verstrooid door zonne-neutrino's. Hierdoor kunnen de onderzoekers het aantal protonhits op de PMT's wiskundig vertalen in een elektronenenergie.

"Het probleem is dat radioactieve achtergrond ook elektronen produceert, die de scintillatormoleculen toch prikkelen", legt Martyn uit. "De normale Borexino-analyse wordt dus uitgevoerd door te kijken naar het gedetecteerde energiespectrum van veel gebeurtenissen. De waterstoffusie in de zon produceerde neutrino's met verschillende energieën en dit produceert een bepaald energiespectrum dat er anders uitziet voor zonne-neutrino's en voor achtergrond. Vergelijking van de gemeten spectrum met het bekende spectrum van alle mogelijke zonne-neutrino's en radioactieve achtergrondspectra maakt het mogelijk om het aantal neutrino's af te leiden."

De nieuwe statistische benadering die door Martyn en zijn collega's werd geïmplementeerd, vormde de kern van de succesvolle hybride meting die ze ontdekten. In plaats van rechtstreeks naar het energiespectrum te kijken, onderzocht het team de verdeling van PMT-treffers voor veel neutrino-gebeurtenissen, ten opzichte van de positie van de zon.

"Omdat de neutrino's van de zon komen en de elektronen grotendeels in dezelfde richting worden verspreid als waar de neutrino's vandaan kwamen, kunnen we de bijdrage van Cherenkov-fotonen zien als een kleine piek, terwijl de scintillatiefotonen en de radioactieve achtergronden isotroop zijn en een vlakke verdeling produceren."

De analyse die in de recente paper van het team wordt geschetst, omvat gebeurtenissen met een energiebereik tussen 0,5-0,7 MeV. Dit is het energiebereik waarbij Martyn en zijn collega's verwachtten het hoogste aantal neutrino's waar te nemen in verhouding tot de achtergrondstraling.

De gebeurtenissen die ze analyseerden, werden allemaal geregistreerd tijdens de eerste fase van het Borexino-experiment, van 2007 tot 2011. De belangrijkste reden hiervoor is dat de samenwerking in die tijd toegang had tot kalibratiegegevens, die ze nodig hadden om het aantal neutrino's correct in te schatten. interactie met de scintillator.

Hoewel het team effectief Cherenkov-fotonen meet, moeten ze deze meting vervolgens kunnen vertalen naar het aantal neutrino-gebeurtenissen. Om dit te doen, moeten ze het aantal Cherenkov-fotonen weten dat zou worden geproduceerd voor elke neutrino-gebeurtenis, die gerelateerd is aan de kalibratiegegevens.

"Borexino is een zeer ongunstige omgeving om Cherenkov-fotonen te tellen, omdat het nooit is gebouwd of naar verwachting zo'n taak zal uitvoeren," zei Martyn. "Dus de meest opvallende prestatie is dat we hebben aangetoond dat de directionele informatie zelfs in deze monolithische scintillatiedetector toegankelijk is."

In de toekomst zou de meting verzameld door de Borexino-samenwerking de weg kunnen banen voor nieuwe hybride deeltjesfysica-experimenten die de sterke punten van scintillatie- en Cherenkov-detectoren combineren. Omdat hun resultaat experimenteel is en niet uitsluitend gebaseerd is op simulaties, toont het duidelijk de haalbaarheid van deze hybride experimenten aan.

In hun volgende studies zijn Martyn en zijn collega's van plan zich te concentreren op een type neutrino's dat CNO-cyclusneutrino's wordt genoemd. Dit zijn neutrino's die worden geproduceerd tijdens de CNO-cyclus, een proces waarbij waterstof wordt samengesmolten tot helium, via een katalytische reactie tussen koolstof, stikstof en zuurstof.

De CNO-cyclus zal naar verwachting bijdragen aan ongeveer 1% van alle waterstoffusie in de zon. De neutrino's die tijdens dit proces worden geproduceerd, hebben daarom lage statistieken.

"In Borexino hebben we ook het probleem van de radioactieve achtergrond van 210Bi, waarvan het spectrum erg lijkt op het spectrum van de neutrino's van de CNO-cyclus," voegde Martyn eraan toe. "Hoewel Borexino ultra radiozuiver is, maakt de combinatie van de lage neutrinostatistieken en de gelijkenis van de energiespectra tussen het signaal en de 210Bi-achtergrond een CNO-neutrino-analyse uitdagend. In een van onze eerdere werken vonden we experimenteel bewijs van neutrino's geproduceerd in de CNO-fusiecyclus. Als een volgende stap in ons onderzoek willen we proberen de richtingsinformatie op te nemen als aanvulling op de standaardanalyse in dit CNO-energiegebied (~ 0,9 tot 1,4 MeV)." + Verder verkennen

Team van Borexino laat zien dat het mogelijk is richtings- en energiegevoeligheid te hebben bij het bestuderen van zonne-neutrino's

© 2022 Science X Network