Borexino

Detectorul Borexino din laboratoarele naționale Gran Sasso în septembrie 2015.

Borexino este un experiment științific care vizează studierea neutrinilor solari cu energie foarte scăzută (sub-MeV) efectuat în Italia , la Laboratoarele Naționale din Gran Sasso , lângă L'Aquila . Experimentul este finanțat de un consorțiu internațional format din institute de cercetare și universități din diferite țări; principalii finanțatori sunt INFN și NSF ^[1] . Colaborarea Borexino include în prezent trei universități italiene, tot atâtea secțiuni INFN plus LNGS , două laboratoare rusești, trei universități americane, trei germane, una poloneză și una franceză.

2020 marchează 30 de ani de la „nașterea” lui Borexino sau începutul activităților conexe. Construcția structurilor detectoare a fost finalizată în 2004, în timp ce preluarea datelor a început în 2007, la sfârșitul fazelor delicate de umplere.

Descriere

Numele BOREXINO derivă din BOREX (BORon solar neutrino EXperiment) ^[2] , un acronim inventat pentru o propunere inițială care presupunea construirea unui detector folosind 1 kT dintr-un scintilator lichid care conține bor și adoptarea unui prag ridicat pentru a putea măsurați doar o coadă a fluxului de neutrini solari produsă de reacția de fuziune care implică borul. Cu toate acestea, ideea a fost aruncată aproape imediat și înlocuită cu cea a unui detector mai mic, dar mai versatil, folosind 300 de tone de un alt tip de scintilator lichid. De aici și adoptarea diminutivului „Borexino” ca nume al proiectului final.

Detectorul este un calorimetru cu scintilație lichidă cu cea mai mare puritate radio din lume. Scintilatorul este conținut într-o sferă de oțel inoxidabil care conține detectoarele de semnal ( PMT ) și este înconjurat de un rezervor de apă (18 m înălțime cu 16,9 m lățime) pentru a proteja radiațiile externe și a identifica muonii razelor cosmice care reușesc să pătrundă în munte deasupra.

Obiectivul principal al experimentului este de a face o măsurare precisă a fluxului de neutrini solari generate de reacțiile termonucleare din miezul solar (inclusiv componenta neutrino a decăderii beriliu -7) și de a compara măsurătorile cu previziunile standardului Model solar . Acest lucru va îmbunătăți înțelegerea proceselor de fuziune nucleară care au loc în miezul Soarelui , compoziția sa, opacitatea, distribuția materiei etc. De asemenea, va ajuta la determinarea unor proprietăți ale oscilațiilor neutrino, inclusiv efectul Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein .

Celelalte obiective ale experimentului sunt detectarea neutrinilor solari generați de bor -8, lanțul proton-proton și poate neutrinii ciclului CNO . Detectorul este sensibil la antineutrini electronici cu energie scăzută, prin reacția de descompunere beta inversă asupra protonilor sau nucleelor ​​de carbon, cum ar fi cele produse de reactoarele nucleare sau geo-neutrini. Borexino poate fi, de asemenea, capabil să detecteze neutrini de la supernove din galaxia noastră și aparține rețelei globale a sistemului de avertizare timpurie a supernovelor . Borexino efectuează, de asemenea, alte cercetări pentru a identifica orice procese rare și potențiale particule încă necunoscute.

Proiectul SOX, anulat acum, ar fi studiat existența potențială a neutrinilor sterili ușori sau alte posibile efecte anormale în oscilația neutrinilor emiși de un generator.

Neutrinii cu energie scăzută sunt detectați prin împrăștiere inelastică pe electroni. Energia de retragere a electronului (sau pozitronului) este convertită în lumină de scintilație care este apoi detectată de o serie de fotomultiplicatori ^[3] .

Rezultatele și istoricul detectorului

Benzile gri compară regiunile de sensibilitate ale celor trei telescoape solare cu neutrini capabile să măsoare energia evenimentelor. Rețineți că predicțiile modelului solar sunt logaritmice: Super-Kamiokande și SNO pot observa aproximativ 0,02% din total, în timp ce Borexino este în măsură să observe orice tip de neutrin prezis.

• În 2007, Borexino a început să ia date operaționale. Proiectul a observat neutrini solari, în timp real, pentru prima dată în august 2007. Analiza datelor a continuat apoi cu date noi până în 2008.
• În 2010, geo-neutrini din interiorul Pământului au fost observați pentru prima dată în Borexino. Acești antineutrini sunt produși în dezintegrările nucleare ale uraniului, toriului, potasiului și rubidiului, dar Borexino poate observa doar pe cele emise în lanțurile radioactive de ²³⁸ U / ²³² Th, datorită reacției de descompunere beta inversă la care este sensibil Borexino. În același an, a fost publicată prima observație cu prag scăzut (3 MeV) a neutrinilor solari originari din reacția ⁸ B. Mai mult, s-au efectuat lucrări de calibrare cu diferite surse radioactive de activitate foarte scăzută, pentru a furniza informații valoroase cu privire la răspunsul detectorului la stimuli foarte cunoscuți și controlați, apropiați de cei pe care intenționăm să-i studiem, cauzat de neutrini.
• În 2011 , experimentul a publicat o măsură de precizie a fluxului de neutrini solari de ⁷ Be, obiectivul principal de pornire al lui Borexino. Prima observare directă de neutrino a reacției pep a fost publicată în același an.
• În 2012 , experimentul a publicat rezultatele măsurătorilor vitezei fasciculului de neutrini trimise de CERN , care s-au dovedit a fi compatibile cu viteza luminii . A existat, de asemenea, o fază prelungită de purificare a scintilatorului lichid, finalizată cu succes și care a atins niveluri de radiopuritate niciodată atinse până acum (până la 15 ordine de mărime, sau de un miliard de ori, sub nivelurile de fond ale radioactivității naturale ).
• În 2013 , Borexino a stabilit noi limite asupra spațiului parametrilor pentru neutrini sterili. A fost observat un nou semnal geo-neutrino, din care au fost extrase informații valoroase despre radioactivitatea naturală a scoarței terestre .
• În 2014 , experimentul Borexino a măsurat direct neutrinii primari din fuziunea proton-proton pentru prima dată. Odată ce fenomenul transformărilor (numite oscilații ) ale neutrinilor solari, descris de teoria MSW , este luat în considerare, măsurarea Borexino este în concordanță cu așteptările modelelor solare . Această realizare, posibilă prin combinarea expertizei în fizică nucleară, astrofizică, fizică teoretică și experimentală, este o etapă importantă în înțelegerea modului în care funcționează Soarele și își demonstrează stabilitatea în ultimii 10.000-100.000 de ani. Trebuie remarcat faptul că alți detectori anteriori de neutrini cu energie scăzută (SAGE, GALLEX / GNO) au numărat neutrinii peste un anumit prag, dar nu au detectat fluxurile diferite.
• În 2015 , o analiză spectrală a geo-neutrinilor a fost prezentată actualizată cu cele mai recente date. În plus, în 2015 a fost instalat un sistem de monitorizare și gestionare a temperaturii Borexino foarte versatil. Este format din sistemul de senzori de temperatură latitudinală (LTPS), format din mai mult de 65 de senzori, a căror instalare a început în 2014; și sistemul de izolație termică, care minimizează influența termică a mediului extern asupra fluidelor interne ale Borexino, datorită unei izolații groase (20 cm) din vată minerală instalate pe pereții rezervorului extern. Mai târziu în 2015, Borexino a reușit să furnizeze cea mai precisă limită disponibilă în lume pentru neconservarea sarcinii electrice (prin decăderea electronului: e ^- → γ + ν).
• În 2017 , Borexino a publicat prima măsurare spectrometrică în bandă largă a spectrului de neutrini solari, cu cele mai precise măsurători simultane pentru fluxurile de neutrini de ⁷ Be, pep și pp , plus extrase dintr-o singură fereastră de energie (190-2930 keV). Aceste măsurători au obținut o precizie de până la 2,7% (în cazul neutrinilor beriliu-7) și au stabilit pentru prima dată o confirmare de 5σ a prezenței pep neutrinilor. Limita de neutrini căutați CNO a atins același nivel statistic ca măsurătorile anterioare ale Borexino (rămânând ca cea mai bună limită disponibilă), dar luând în considerare ipoteze mai puțin puternice: în consecință, rezultatul este mai robust. Cantitatea de date, mult amplificată după ani de observație continuă, noi tehnici de analiză a datelor și simulări computerizate Monte-Carlo în fruntea întregului detector au fost evoluții esențiale pentru aceste rezultate. Mai mult, a fost publicată observația actualizată a neutrinilor de ⁸ B cu date din fazele I și II (2008-2016), dublând acuratețea măsurării acestei componente a neutrinilor solari față de cea anterioară și sugerând o ușoară preferință față de modelele solare standard. de mare metalicitate cu toate datele despre neutrini solari disponibile în acest moment. O măsură îmbunătățită a sensibilității la modulația sezonieră a semnalului solar neutrino a fost publicată în 2017. În același an, cea mai bună limită obținută prin observarea directă a momentului magnetic al neutrino a fost stabilită de echipa Borexino. Așa cum era de așteptat, un semnal de neutrini corelat cu semnalele de undă gravitațională GW150914, GW151226 și GW170104 a fost exclus din Borexino în sensibilitatea sa.
• În noiembrie 2020 a fost publicat un articol în Nature, în care neutrinii solari ai ciclului CNO sunt măsurați pentru prima dată ^[4]

Proiect SOX

Experimentul SOX ( Short-distance Oscillations with boreXino, Oscillazioni di Corta distance with Borexino în italiană) este un experiment anulat care a fost destinat să confirme complet sau să respingă în mod clar așa-numitele „anomalii neutrino”: o serie de dovezi circumstanțiale despre dispariția neutrinilor electronici observată în experimentele LSND și MiniBooNE, detectoarele de galiu GALLEX / GNO și SAGE și a antineutrinilor electronici din reactoarele nucleare. Dacă ar avea succes, SOX ar fi demonstrat existența componentelor sterile în neutrini și ar fi deschis o nouă eră în fizica și cosmologia fundamentale.

Un semnal clar al prezenței neutrinilor sterili ar însemna descoperirea primelor particule dincolo de Modelul Standard Electroweak ( BSM , sau Dincolo de Modelul Standard) și ar avea implicații profunde pentru înțelegerea actuală a Universului și a fizicii fundamentale a particulelor. Dacă nu există semnal, va fi capabil să închidă o dezbatere de lungă durată asupra realității anomaliilor neutrino. Cercetând, de asemenea, posibilitatea unei noi fizici în interacțiunile dintre neutrini cu energie scăzută, aceasta ar oferi o măsură mai precisă a momentului magnetic al neutrino, a unghiului Weinberg și a altor parametri fizici fundamentali. Ar fi, de asemenea, o calibrare energetică splendidă a detectorului Borexino în sine, foarte utilă pentru viitoarele măsurători de neutrini solari de înaltă precizie.

SOX ar fi folosit un generator antineutrino puternic (~ 150 kg) și inovator, compus dintr-o sursă Ce-144 / Pr-144 (cu posibilitatea utilizării unui generator de neutrini Cr-51 în viitor, care ar necesita un ). Acest generator va fi plasat sub Borexino la mică distanță (8,5 m) într-un mic tunel construit înainte de construcția detectorului, cu ideea că într-o zi ar putea fi folosit pentru inserarea unor surse radioactive similare. Sursa va oferi aproximativ zece mii de interacțiuni curate de neutrini în volumul activ al Borexino. Experimentul va începe în prima jumătate a anului 2018 și va colecta date pentru aproximativ doi ani. În octombrie 2017, un test de transport fără materiale radioactive a fost efectuat cu succes în locațiile LNGS unde sursa va fi transportată câteva luni mai târziu, cu scopul de a obține permisele finale pentru a începe experimentul înainte de sosirea generatorului. ^[5]

Anularea proiectului

Începutul experimentului a fost programat pentru prima jumătate a anului 2018, datele ar fi luate pentru aproximativ doi ani. În octombrie 2017, un test de transport „gol” (fără material radioactiv) a fost efectuat cu succes la situl Borexino la LNGS , ^[6] în conformitate cu regulile finale pentru începerea experimentului, înainte de sosire. A sursei. La sfârșitul anului 2017, Majak a dezvăluit probleme tehnice în timpul fabricării oxidului de ceriu pentru generatorul de antineutrin SOX. Aceste probleme implicau incapacitatea generatorului de a furniza cantitatea necesară de antineutrini cu un factor de 3, ^[7] și a determinat o revizuire a proiectului și a datei de începere a acestuia. La începutul lunii februarie 2018, proiectul SOX a fost anulat oficial de CEA și INFN din cauza problemelor de producție a sursei radioactive ^[8], iar obiectivele Borexino pentru 2018 și 2019 au fost redirecționate pentru a obține o stabilitate mai mare a detectorului și, în consecință, de radiopuritate mai mare, cu scopul de a obține rezultate ale neutrinilor solari cu o precizie mai mare, cu accent deosebit pe neutrini CNO.

Notă

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Borexino

linkuri externe

• Experimentul Borexino explicat de Biroul de comunicare INFN , pe home.infn.it.
• Site oficial , pe borex.lngs.infn.it .
• Pagina principală Borexino Genoa , pe ge.infn.it.
• Comunicat de presă de la US NSF cu privire la prima detectare în timp real , la nsf.gov .

Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica