Borexino-detektorn. Kredit:Borexino Collaboration.
Borexino är ett storskaligt partikelfysikexperiment som samlade in data fram till oktober 2021. Dess huvuduppdrag var att studera lågenergi (sub-MeV) solneutriner med hjälp av Borexino-detektorn, världens mest radiorena vätskescintillatorkalorimeter, belägen vid Laboratori Nazionali del Gran Sasso nära Aquila, i Italien.
Borexino Collaboration, forskargruppen som genomför experimentet, samlade nyligen den första experimentella mätningen av sub-MeV solneutriner med hjälp av en scintillationsdetektor. Denna mätning, presenterad i en artikel publicerad i Physical Review Letters , skulle kunna öppna nya möjligheter för hybridrekonstruktion av partikelfysikhändelser med Cherenkov och scintillationssignaturer samtidigt.
"Huvudidén bakom det här arbetet var att samla experimentella bevis på att det är möjligt att använda informationen från Cherenkov-fotonerna även i en monolitisk scintillationsdetektor", säger Johann Martyn, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org .
För närvarande finns det två huvudtyper av detektorer för att studera neutriner, nämligen vatten Cherenkov-detektorer, såsom Super-Kamiokande (SNO)-detektorer och vätskescintillatordetektorer, såsom Borexino-detektorn. I Cherenkov-detektorer för vatten sprider neutriner elektroner i mediet. Om dessa elektroner rör sig snabbare än ljusets hastighet i vattnet producerar de Cherenkov-strålning.
Borexino-detektorn. Kredit:Borexino Collaboration.
"Denna Cherenkov-strålning sänds ut i en kon runt elektronriktningen, vilket gör det möjligt att skilja mellan solneutriner (som kommer från solen) och radioaktiv bakgrund (som kommer från överallt i detektorn)," förklarade Martyn. "Men eftersom det absoluta antalet Cherenkov-fotoner är litet (~30 fotoner vid 3,5 MeV avsatt energi i super-Kamiokande), är lågenergitröskeln relativt hög jämfört med scintillationsdetektorer."
I motsats till Cherenkov-detektorer för vatten producerar vätskescintillatorer mycket fler fotoner, genom en process som kallas "scintillation". Under scintillation exciterar en neutrino-inducerad elektron scintillatormolekylerna, som i sin tur producerar fotoner. I Borexino resulterar detta i produktion av cirka 500 fotoner vid 1 MeV avsatt energi.
"Detta gör det möjligt att undersöka solneutriner med mycket lägre energier och som sådan undersöka fusionsproduktionskanalerna för dessa lågenergisolneutriner," sa Martyn. "Samtidigt emitteras dock scintillationsfotonerna isotropiskt, vilket gör att det inte finns någon riktningsinformation kvar."
Borexino-detektorn. Kredit:Borexino Collaboration.
Medan vätskescintillatorer fortfarande kan producera fotoner vid låga energier, är det relativa förhållandet mellan dessa fotoner så litet att det inte kan användas för att utföra standardanalyser händelse-för-händelse. Till exempel, vid låga energier producerar Borexino-detektorn ungefär ~1 Cherenkov-foton per neutrino-händelse. I sin senaste tidning använde Martyn och hans kollegor en statistisk metod för att summera Cherenkov-fotoner som produceras i alla neutrinohändelser som registrerats av detektorn.
"Med vår metod, även om vi bara har 1 Cherenkov-foton per neutrinohändelse, har vi totalt cirka 10 000 neutrinohändelser, vilket ger oss också cirka 10 000 Cherenkov-fotoner som kan användas i analyser," sa Martyn. "Detta tillåter oss att kombinera styrkan hos båda detektortyperna:titta på lågenergineutriner (utlösta av scintillationsljuset) men använda riktningsinformationen från solneutriner för att skilja händelserelaterade signaler från bakgrundsstrålning."
I sig är den senaste mätningen som samlats in av Borexino Collaboration inte särskilt imponerande, särskilt inte jämfört med konventionella Borexino-analyser baserade enbart på scintillationsljus. Icke desto mindre kan denna nya studie ha viktiga konsekvenser, eftersom den experimentellt visar att det faktiskt är möjligt att utföra en hybrid neutrinoanalys.
Metoden Correlated and Integrated Directionality (CID):Scintillationsljus (blått) är isotropiskt och oberoende av riktningen för solneutrinon. Cherenkov-ljus (gult) är korrelerat till riktningen för solneutrinon och producerar en kon med en öppning på ~43°. Räknar PMT-träffarna som en funktion av cos(alfa), vilket är den detekterade fotonriktningen i förhållande till positionen för Solen kommer att producera en platt fördelning för scintillation och bakgrund och en toppfördelning för cherenkov-fotoner vid cos(alfa) ~ 0,7. Kredit:Borexino Collaboration.
"Borexino är en vätskescintillatordetektor (LS) med ~280 ton LS i en sfärisk volym på 6,5 m radie och ~2000 fotomultiplikatorrör (PMTs)," förklarade Martyn. "Om en solneutrino interagerar i scintillatorn, sprider den bort en elektron, som i sin tur exciterar scintillatormolekylerna. Dessa molekyler avger sedan fotoner som detekteras av PMT."
Mängden scintillationsfotoner som produceras av Borexino beror på energin hos elektronen som sprids av solneutriner. Som ett resultat kan forskarna matematiskt översätta antalet protonträffar på PMT:erna till en elektronenergi.
"Problemet är att radioaktiv bakgrund också producerar elektroner, som exciterar scintillatormolekylerna på samma sätt," förklarade Martyn. "Den normala Borexino-analysen utförs alltså genom att titta på det detekterade energispektrumet för många händelser. Vätefusionen inuti solen producerade neutriner med olika energier och detta producerar ett visst energispektrum som ser annorlunda ut för solneutriner och för bakgrund. Jämföra de uppmätta spektrum med det kända spektrumet av alla möjliga solneutriner och radioaktiva bakgrundsspektra gör det möjligt att sluta sig till antalet neutriner."
Den nya statistiska metoden som implementerades av Martyn och hans kollegor var kärnan i den framgångsrika hybridmätning de upptäckte. Istället för att direkt titta på energispektrumet undersökte teamet fördelningen av PMT-träffar för många neutrinohändelser, i förhållande till solens position.
Metoden Correlated and Integrated Directionality (CID):Scintillationsljus (blått) är isotropiskt och oberoende av riktningen för solneutrinon. Cherenkov-ljus (gult) är korrelerat till riktningen för solneutrinon och producerar en kon med en öppning på ~43°. Räknar PMT-träffarna som en funktion av cos(alfa), vilket är den detekterade fotonriktningen i förhållande till positionen för Solen kommer att producera en platt fördelning för scintillation och bakgrund och en toppfördelning för cherenkov-fotoner vid cos(alfa) ~ 0,7. Kredit:Borexino Collaboration.
"Eftersom neutrinerna kommer från solen och elektronerna är utspridda mestadels i samma riktning som neutrinonerna kom ifrån, kan vi se bidraget från Cherenkov-fotoner som en liten topp, medan scintillationsfotonerna såväl som de radioaktiva bakgrunderna är isotropa och skapa en platt fördelning."
Analysen som beskrivs i teamets senaste papper inkluderar händelser vid ett energiintervall mellan 0,5–0,7 MeV. Detta är det energiområde vid vilket Martyn och hans kollegor förväntade sig att observera det högsta antalet neutriner i proportion till bakgrundsstrålningen.
Händelserna de analyserade registrerades alla under den första fasen av Borexino-experimentet, som sträckte sig från 2007 till 2011. Den främsta anledningen till detta är att samarbetet under den tiden hade tillgång till kalibreringsdata, som de behövde för att korrekt uppskatta antalet neutriner interagerar med scintillatorn.
Metoden Correlated and Integrated Directionality (CID):Scintillationsljus (blått) är isotropiskt och oberoende av riktningen för solneutrinon. Cherenkov-ljus (gult) är korrelerat till riktningen för solneutrinon och producerar en kon med en öppning på ~43°. Räknar PMT-träffarna som en funktion av cos(alfa), vilket är den detekterade fotonriktningen i förhållande till positionen för Solen kommer att producera en platt fördelning för scintillation och bakgrund och en toppfördelning för cherenkov-fotoner vid cos(alfa) ~ 0,7. Kredit:Borexino Collaboration.
I själva verket, medan teamet effektivt mäter Cherenkov-fotoner, måste de sedan kunna översätta denna mätning till antalet neutrinohändelser. För att göra detta måste de veta antalet Cherenkov-fotoner som skulle produceras för varje neutrinohändelse, vilket är relaterat till kalibreringsdata.
"Borexino är en mycket negativ miljö för att räkna Cherenkov-fotoner, eftersom den aldrig byggdes eller förväntades utföra en sådan uppgift," sa Martyn. "Så, den mest anmärkningsvärda bedriften är att vi visade att riktningsinformationen är tillgänglig även i denna monolitiska scintillationsdetektor."
I framtiden kan mätningen som samlats in av Borexino Collaboration bana väg för nya hybridpartikelfysikexperiment som kombinerar styrkorna hos scintillation och Cherenkov-detektorer. Eftersom deras resultat är experimentellt och inte enbart baserat på simuleringar, visar det tydligt genomförbarheten av dessa hybridexperiment.
I sina nästa studier planerar Martyn och hans kollegor att fokusera på en typ av neutriner som kallas CNO-cykelneutriner. Dessa är neutriner som produceras under CNO-cykeln, en process där väte smälts samman till helium, via en katalytisk reaktion mellan kol, kväve och syre.
Kredit:Borexino Collaboration.
CNO-cykeln förutspås bidra till cirka 1 % av all vätefusion i solen. De neutriner som produceras under denna process har därför låg statistik.
"I Borexino har vi också problemet med den radioaktiva bakgrunden från 210Bi vilket spektrum ser väldigt likt ut spektrumet för CNO-cykelneutrinerna," tillade Martyn. "Även om Borexino är ultraradiorent, gör kombinationen av statistiken med låg neutrino och likheten mellan energispektra mellan signalen och 210Bi-bakgrunden en CNO-neutrinoanalys utmanande. I ett av våra tidigare arbeten hittade vi experimentella bevis för neutrinos producerade i CNO-fusionscykeln. Som ett nästa steg i vår forskning vill vi försöka inkludera riktningsinformationen som ett komplement till standardanalysen i denna CNO-energiregion (~0,9 till 1,4 MeV)." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
