Borexino проводит первое направленное измерение солнечных нейтрино с энергией менее МэВ с использованием монолитного сцинтилляционного детектора.
Borexino — это крупномасштабный эксперимент по физике элементарных частиц, данные которого собирались до октября 2021 года. Его ключевой задачей было изучение солнечных нейтрино низкой энергии (субМэВ) с использованием детектора Borexino, самого радиочистого жидкостного сцинтилляционного калориметра в мире, расположенного в Laboratori. Национали-дель-Гран-Сассо недалеко от Аквилы в Италии.
Исследовательская группа Borexino Collaboration, проводившая эксперимент, недавно провела первое экспериментальное измерение солнечных нейтрино с субмэВной энергией с помощью сцинтилляционного детектора. Это измерение, представленное в статье, опубликованной в Physical Review Letters , может открыть новые возможности для гибридной реконструкции событий физики элементарных частиц с одновременным использованием черенковских и сцинтилляционных сигнатур.
«Основная идея этой работы заключалась в том, чтобы собрать экспериментальные доказательства того, что можно использовать информацию, полученную от черенковских фотонов, даже в монолитном сцинтилляционном детекторе», — сказал Phys.org один из исследователей, проводивших исследование, Иоганн Мартин. .
В настоящее время существует два основных типа детекторов для изучения нейтрино, а именно водяные черенковские детекторы, такие как детектор Супер-Камиоканде (СНО), и детекторы на жидких сцинтилляторах, такие как детектор Борексино. В водных черенковских детекторах нейтрино рассеивают электроны в среде. Если эти электроны движутся быстрее скорости света в воде, они производят черенковское излучение.
«Это черенковское излучение испускается в конусе вокруг направления электронов, что позволяет различать солнечные нейтрино (исходящие от Солнца) и радиоактивный фон (исходящие отовсюду в детекторе)», — пояснил Мартин. «Однако, поскольку абсолютное число черенковских фотонов невелико (~ 30 фотонов с энергией 3,5 МэВ, выделенной в супер-Камиоканде), порог низкой энергии относительно высок по сравнению со сцинтилляционными детекторами».
В отличие от водяных черенковских детекторов, жидкие сцинтилляторы производят гораздо больше фотонов благодаря процессу, известному как «сцинтилляция». Во время сцинтилляции электрон, индуцированный нейтрино, возбуждает молекулы сцинтиллятора, которые, в свою очередь, производят фотоны. В Борексино это приводит к производству примерно 500 фотонов при выделенной энергии 1 МэВ.
«Это позволяет исследовать солнечные нейтрино с гораздо более низкими энергиями и, таким образом, исследовать каналы синтеза этих низкоэнергетических солнечных нейтрино», — сказал Мартин. «Однако в то же время сцинтилляционные фотоны излучаются изотропно, а это означает, что информации о направлении не остается».
Хотя жидкие сцинтилляторы все еще могут генерировать фотоны с низкими энергиями, относительное соотношение этих фотонов настолько мало, что его нельзя использовать для проведения стандартного анализа отдельных событий. Например, при низких энергиях детектор Борексино производит примерно ~ 1 черенковский фотон на нейтринное событие. В своей недавней статье Мартин и его коллеги использовали статистический метод для суммирования черенковских фотонов, образующихся во всех нейтринных событиях, зарегистрированных детектором.
«Используя наш метод, даже если у нас есть только 1 черенковский фотон на нейтринное событие, у нас всего около 10 000 нейтринных событий, что дает нам также около 10 000 черенковских фотонов, которые можно использовать в анализе», — сказал Мартин. «Это позволяет нам сочетать силу обоих типов детекторов: наблюдение за нейтрино низкой энергии (вызванное сцинтилляционным светом), но использование информации о направлении солнечных нейтрино, чтобы отличить сигналы, связанные с событием, от фонового излучения».
Само по себе недавнее измерение, полученное коллаборацией Borexino, не особенно впечатляет, особенно по сравнению с обычным анализом Borexino, основанным только на сцинтилляционном свете. Тем не менее, это недавнее исследование может иметь важные последствия, поскольку оно экспериментально демонстрирует, что проведение гибридного нейтринного анализа действительно возможно.
«Borexino — это детектор на жидком сцинтилляторе (ЖС), содержащий около 280 тонн LS в сферическом объеме радиусом 6,5 м и около 2000 фотоумножителей (ФЭУ)», — пояснил Мартин. «Если солнечное нейтрино взаимодействует со сцинтиллятором, оно рассеивает электрон, который, в свою очередь, возбуждает молекулы сцинтиллятора. Затем эти молекулы испускают фотоны, которые регистрируются ФЭУ».
Количество сцинтилляционных фотонов, производимых Borexino, зависит от энергии электрона, рассеянного солнечными нейтрино. В результате исследователи могут математически перевести количество попаданий протонов на ФЭУ в энергию электронов.
«Проблема в том, что радиоактивный фон также производит электроны, которые все равно возбуждают молекулы сцинтиллятора», — пояснил Мартин. Таким образом, обычный анализ Borexino выполняется путем просмотра обнаруженного энергетического спектра многих событий. В результате синтеза водорода внутри Солнца образуются нейтрино с разными энергиями, и это дает определенный энергетический спектр, который выглядит по-разному для солнечных нейтрино и для фона. Сравнение измеренных значений спектра с известным спектром всех возможных солнечных нейтрино и спектрами радиоактивного фона позволяет сделать вывод о количестве нейтрино».
Новый статистический подход, реализованный Мартином и его коллегами, лежал в основе обнаруженного ими успешного гибридного измерения. Вместо того, чтобы непосредственно смотреть на энергетический спектр , команда изучила распределение попаданий ФЭУ для многих нейтринных событий относительно положения Солнца.
«Поскольку нейтрино исходят от Солнца, а электроны рассеиваются в основном в том же направлении, откуда пришли нейтрино, мы можем видеть вклад черенковских фотонов в виде небольшого пика, в то время как сцинтилляционные фотоны, а также радиоактивные фоны изотропны и производить плоское распределение».
Анализ, изложенный в недавней статье группы, включает события в диапазоне энергий от 0,5 до 0,7 МэВ. Это диапазон энергий, в котором Мартин и его коллеги ожидали наблюдать наибольшее количество нейтрино по отношению к фоновому излучению.
Все события, которые они проанализировали, были зарегистрированы во время первой фазы эксперимента Borexino, охватывающей период с 2007 по 2011 год. Основная причина этого заключается в том, что в то время у коллаборации был доступ к калибровочным данным, которые им были необходимы для правильной оценки количества нейтрино.
На самом деле, несмотря на то, что команда эффективно измеряет черенковские фотоны, им необходимо перевести это измерение в число нейтринных событий. Для этого им нужно знать количество черенковских фотонов, которые будут произведены для каждого нейтринного события, что связано с данными калибровки.
«Борексино — очень неблагоприятная среда для подсчета черенковских фотонов, поскольку она никогда не строилась и не предполагалась для выполнения такой задачи», — сказал Мартин. «Итак, наиболее заметным достижением является то, что мы показали, что информация о направлении доступна даже в этом монолитном сцинтилляционном детекторе».
В будущем измерения, собранные коллаборацией Borexino, могут проложить путь к новым гибридным экспериментам по физике элементарных частиц, которые сочетают в себе сильные стороны сцинтилляционных и черенковских детекторов. Поскольку их результат является экспериментальным и не основан исключительно на моделировании, он ясно демонстрирует осуществимость этих гибридных экспериментов.
В своих следующих исследованиях Мартин и его коллеги планируют сосредоточиться на типе нейтрино, называемом нейтрино CNO-цикла. Это нейтрино, образующиеся во время CNO-цикла, процесса, при котором водород превращается в гелий посредством каталитической реакции между углеродом, азотом и кислородом.
Прогнозируется, что CNO-цикл будет способствовать примерно 1% всего синтеза водорода на Солнце. Поэтому нейтрино, образующиеся в ходе этого процесса, имеют низкую статистику.
«В Борексино у нас также есть проблема радиоактивного фона от 210Bi, спектр которого очень похож на спектр нейтрино CNO-цикла», — добавил Мартин. «Несмотря на то, что Borexino является сверхрадиочистым, сочетание низкой статистики нейтрино и сходства энергетических спектров между сигналом и фоном 210Bi делает анализ нейтрино CNO сложным. В одной из наших предыдущих работ мы нашли экспериментальные доказательства нейтрино, образующихся в термоядерном цикле CNO. В качестве следующего шага в нашем исследовании мы хотим попытаться включить информацию о направлении в качестве дополнения к стандартному анализу в этой области энергий CNO (от ~ 0,9 до 1,4 МэВ)».
Теги: нейтрино, Солнце, фотон
