Status report and results

Presentazione sul tema: "Status report and results"— Transcript della presentazione:

1 Status report and results
Borexino Status report and results Rivelatore: Purificazione dello scintillatore mediante Water Extraction: 6 cicli da giugno 2010 ad agosto 2011 Manutenzione elettronica Risultati pep neutrinos Flusso dei muoni cosmici e loro modulazione annuale Ricerca di assioni dal sole Sterile neutrino oscillation: n source Commissione II, Trieste, settembre 2012

2 Borexino 2012 Lavori Pubblicati:
First Evidence of pep Solar Neutrinos by Direct Detection in Borexino PRL 108, (2012);  selezionato da APS per essere inserito negli Highlights Cosmic-muon flux and annual modulation in Borexino at 3800 m water-equivalent depth, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics Volume 2012 May 2012 Search for Solar Axions Produced in p(d, 3He)A Reaction with Borexino Detector, Phys. Rev. D, Volume 85, Issue 9 (2012) Measurement of CNGS muon neutrino speed with Borexino Phys. Letters B, 716 (2012), Analisi in progress Update dell’ analisi dei geo-neutrinos ; Update della ricerca di processi rari Studio della produzione di nuclidi cosmogenici

3 Stato del rivelatore: PMTs
483 269 PMT disconnessi: 483 dei 2212 di cui 269 già problematici prima del’inizio della presa dati nel giugno 2007 ~ 6/7 PMT disconnessi/mese Gennaio 2010 Gennaio 2011 Gennaio 2012 Failure Rate (failures/hours): il rapporto fra il numero di PMTs rotti in quel mese e il numero di ore equivalenti (PMT rimanenti x 720) Gennaio 2012 Gennaio 2010 Gennaio 2011

4 Borexino è in presa dati da maggio 2007
Borexino Phase I (Maggio Maggio 2010): Neutrini solari da 7Be: misura del rate con precisione < 5% e della non-asimmetria giorno/notte (2011); Prima misura del rate da pep (2012); Misura del rate dei neutrini da 8B (2010); Prima osservazione dei geo-neutrinos (2010); Limiti su processi rari o esotici Impatto di BOREXINO sulla fisica delle oscillazioni del neutrino: Probabilità di sopravvivenza del ne Prima di Borexino Borexino 7Be pep 8B

5 Borexino 7Be 11C 85Kr pep 210Bi Borexino Phase II (da Agosto 2011, dopo l’ulteriore purificazione) Goals di fisica Migliorare la significanza della misura del rate dei n da pep (~3s )  va eliminato il 210Bi; Migliorare il limite sui n da CNO ( metallicità nel sole)  210Bi; Misura del rate dei n da pp neutrinos  85Kr va eliminato e va studiato il pileup del 14C; Migliorare il rate dei n da 7Be e 8B (miglior test di MSW)  vanno eliminati il 210Bi, 85Kr; Purificazione: Per ridurre ulteriormente il fondo radioattivo nello scintillatore (85Kr, 210Bi) è stato necessario purificare lo scintillatore mediate water extraction. Si sono fatti 6 cicli da maggio 2010 ad agosto 2011 Questa purificazione ha eliminato il 85Kr (consistente con 0); Ha ridotto il 210Bi (da ~70 cpd/100tons  ~20 cpd/100tons); Ha ulteriormente abbassato il livello di concentrazione di 238U and 232Th(~10-19 g/g);

6 First evidence of pep solar neutrinos
First Evidence of pep Solar Neutrinos by Direct Detection in Borexino PRL 108, (2012); pep solar neutrinos Monocromatic line at E=1.44MeV; Ideal to test Pee in the transition region; Difficulties of this analysis: Very tiny rates (few counts /day/100tons); Backgrounds: 210Bi rate ~40 cpd/100tons 11C rate ~ 27 cpd/100tons; 7Be pep To suppress the 11C background: three-fold coincidence; pulse-shape discrimination; 210Bi 11C CNO pep

7 First detection of pep n
We obtained first evidence of pep neutrinos Thanks to the very low background and analysis tools developed for 11C rejection Three fold coincidence tagging of 11C events β+ β- separation exploiting positronium induced pulse shape distortion Multivariate maximum likelihood test using all available information Three-fold coincidence (m, n, e+) 11C (t=29.4 min) produced by cosmic m on 12C >1 n is spalled with 11C, in 95% of the cases, and then captured in the scintillator Removed 91% of 11C, keeping 48.5% of livetime 11C rate: from 27 → 2.5 counts/day/100tons

8 e+/e- pulse shape discrimination ( PRC 83-015522 (2011))
First detection of pep n e+/e- pulse shape discrimination ( PRC (2011)) Based on the small differences in the time distribution of the scintillation signal coming from the ortho-positronium finite lifetime and the presence of annihilation g rays. ortho-positronium t1/2 = 3 ns γ e- e+ Dt: when the b+ undergoes o-Ps formation, the light produced by the two annihilation g-rays is delayed with respect to the prompt light produced by the kinetic energy loss of the b+. Boost decision tree to construct an optimized pulse-shape discrimination variable

9 Multivariate analysis
First detection of pep n Multivariate analysis Fit simultaneously: Radial distribution of events; Energy distribution of events; Pulse-shape distribution of events; Both pep and CNO rates are parameters of the fit Radial distribution Pulse-shape variable distribution

10 First detection of pep n
Energy spectrum Rate: 3.1 ± 0.6(stat) ± 0.3(sys) cpd/100 t No oscillations excluded at 97% c.l. Absence of pep solar ν excluded at 98% Assuming MSW-LMA: Φpep = 1.6 ± cm-2 s > data/SSM ratio: 1.1±0.2 CNO limit obtained assuming SSM CNO rate < 7.1 cpd/100 t (95% c.l.) (1.5 times the SSM prediction)

11 Annual modulation of cosmic-muon flux
Cosmic-muon flux and annual modulation in Borexino at 3800 m water-equivalent depth, JCAP05(2012)015 cosmic muon flux of (3.41±0.01) 10-4 m-2 s-1 Muons in Borexino are recognized both by the inner and by the outer detector; Outer Detector: Cerenkov light in the water tank; Inner Detector: both Cerenkov and scintillator light; It is possible to reconstruct the muon track Inclination cosq Azimuth angle f Grey area: Macro results

12 Annual modulation of cosmic-muon flux
The cosmic-muon flux underground is expected to vary as a function of season due to the difference in atmospheric temperature Tatm Muons are produced in p± decay; higher Tatm  lower ratm  longer Lint (p± ) p± decay to m before loosing energy in interactions higher m energy more m underground; Muon rate Temperatureeff Performing the same type of fit on the T variation in time one finds consistent results T (days) Phase(days) I m 366.0±3.0 179.0±6.0 T atm 369.2±0.2 174.0±0.4 Temperature data obtained from the European Center for Medium-range Weather forecast; It is possible to define an effective temperature Teff, by weighting over atmospheric depth: the higher layers of the atmosphere are given bigger weights, since it is where the most energetic muons are produced;

13 Annual modulation of cosmic-muon flux
Defining the ‘’effective temperature coefficient’’ aT as In agreement with MACRO and with expectations; In future will be possible to measure aT with better precision possible indirect determination of the K/p ratio in the interaction of primary cosmic rays

14 Search for Solar Axions
Search for Solar Axions Produced in p(d, 3He)A Reaction with Borexino Detector, Phys.Rev.D85 (2012), Sun is a potentially strong source of Axions A search for 5.5 MeV solar axion produced in p + d -> 3He + A(5.5) MeV Axio-electric effect A+e+Z e+Z (5.49 MeV electrons) Compton axion to photon conversion A+ee+g (electrons and g) Inverse Primakov conversion A+Zg+Z (5.49 MeV g) Axion decay A 2g pp chain MC simulation (e,g) In FV The amplitude of 1) and 2) depends on gAe The amplitude of 3) and 4) depends on gAg

15 Search for Solar Axions
The results exclude large regions of axion-electron and axion-photon coupling constants gAe∈(10-11 – 10-9) gAg∈(10-14 – 10-7) GeV-1 for mA(0.01-5) MeV 737.8 live days of data Energy spectrum raw spectrum ms m veto cut s SSS m cut FV cut (Excluded values are within contours) Limits on gAg coupling Limits on gAe coupling Zoomed spectrum after cuts No Axion signal is found in the region the curve 3 is the detector response function for Compton axion-photon conversion at the 90% c.l.

16 CNGS neutrino beam speed
Beam(May 2012): narrow bunches (s~2ns), 16 bunches per batch with Dtbunch~100ns, 4 batch per extraction separated by ~300ns CNGS nm are detected via CC interactions in the rock upstream the detector ( l=50m -> Dt=0.1ns ) CNGS events are well tagged by time coincidence only We also have well-tested muon identification capability only muons crossing the SSS, because of higher precision We expect background to be close to 0; Entrance point in the SSS reconstructed with a precision of ~50cm and the correction for spherical shape of the detector is applied 50% of events through OD only; 50% also through the Inner Det. The distance of the SSS from CNGS proton target from geodetic determination of Borexino detector. The position of the CERN target was not measured again Final distribution of the difference between the neutrino time–of–flight and a particle moving at speed c (data points) D = DISTANCE PROTON TARGET AT CERN AND THE BX-CENTER The mean value is consistent with zero and the width agrees with MC simulation of know effects (yellow) New trigger: no digital clock; Trigger delivered outside with optical fibre HPTF (High Precision Timing Facility), provides the GPS time for each trigger GPS PolarX 4 receiver Rb clock; TICs (Time Interval Counters); HPTF has been thoroughly tested and calibrated in Torino at INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica); The time-link between CERN and HPTF has been calibrated by INRIM and ROA with an accuracy of 1.1 ns The small asymmetry is predicted by MC and is due to the spherical shape of the Borexino detector. This does not affect the estimation of the central value by more than 200 ps. The mean value and its statistical error are obtained from the gaussian fit.

17 Backgrounds dopo la purificazione
85Kr 85Kr b 85Rb 687 keV  = y - BR: % 85Rb 85Kr 85mRb = 1.46 ms BR: 0.43% 514 keV b 173 keV g 85Kr < 6.9 cpd/100 t at 95% C.L 1800 2000 Rate cpd/t Present contamination: 4.6 cpd/t 210Po

18 210Bi Backgrounds 210Bi: spectral fit for data collected in 2012
Feb-Mar 2012 210Bi: spectral fit for data collected in 2012 Performing the fit to the set of data from January 2012 to August we find 210Bi 23.2 ± 2.0 cpd/100tons

19 2013 La purificazione con Water Extraction e Azoto ultra-puro ha già raggiunto livelli soddisfacenti per il 85Kr e piuttosto buoni per 210Bi. Non è stata però efficace per il 210Po. Dibattito all'interno della collaborazione: migliorando significativamente la qualità dell'acqua si potrebbe potenzialmente abbassare ulteriormente il 210Bi e ridurre il 210Po. Attività prevista per il 2013 Astenerci dal fare operazioni sul rivelatore ? Ultimare le analisi in corso dei dati raccolti prima della purificazione mediante “water extraction”. Analisi dei dati che saranno raccolti dopo la ripurificazione allo scopo di verificare la possibilità ridurre ulteriormente gli errori sui flussi misurati: pp, pep, CNO, 7Be, 8B Geoneutrini Sorgenti: Studio per l’irraggiamento presso reattori della sorgente di 51Cr

20 Borexino con sorgente esterna di 51Cr di n
Vedi presentazione Lugio 2012 (Marco Pallavicini) Neutrino magnetic moment Neutrino-electron non standard interactions Probe ne- e weak couplings at 1 MeV scale Probe sterile neutrinos at 1eV scale Probe n vs anti-n oscillations on 10m scale decay t (days) Energy MeV Kg/MCi W/kCi e-capture (Eg=0.32 MeV 10%) 40 0.746 81% 0.011 0.19

21 Reach of the sterile neutrino search with the 51Cr source
2 analysis of the 51Cr source outside BX Rate + shape + additional handle: time decay of the source event rate to better discriminate against the background Sensitivity to the rate + wave shape Sensitivity to the rate only activity=10MCi; Error on activity=1%; Error on FV=1%; Reactor and Gallium anomaly Exclusion contours FV error better than 1% already achieved in BX (calibration) Error of 1% on the source intensity is agressive – important effort to achieve it Green region 90% CL excluded from Solar+KamLAND constraints accounting for the 13  0 value A. Palazzo - Phys. Rev. D 85, (2012)

22 Sorgente 51Cr (~35 kg, arricchita 38% 50Cr)
Trasporto: In questi mesi Aldo, Gioacchino e Marco stanno occupandosi del recupero della sorgente da Saclay e di tutti i permessi necessari. Identificazione di una ditta per lo stoccaggio: PROTEX (Forlì) Copia dell’autorizzazione della Prefettura a ospitare materiali nucleari OK Certificazione dell’attuale attività del materiale: misure certificate da CEA Saclay Identificazione di una ditta per il trasporto: MIT Nucleare (Carugate, MI) Raccolta della documentazione per avere l’autorizzazione IRSN (Institut de Radioprotection and de Sureté Nucléaire) Richiesta effettuata il 15 luglio Attesa stimata: 3 mesi Permesso ASN (Autorité de sûreté nucléaire) a seguire non appena IRSN ha dato l’OK Trasporto in Italia entro Natale (si spera) Irraggiamento: Presso il reattore di Peten (Olanda). Molto interessante dal punto di vista logistico. Intensità adeguata solo con arricchimento isotopico del Cromo fino al 90%. Contratto di studio dell’irraggiamento e un irraggiamento di prova. Contratto su 2 anni (2012/2013) Ludmila, Russia. Perfettamente adeguato ai 10 MCi. Difficoltà di trasporto da gestire. Contatti in corso. Oak Ridge, USA. Perfettamente adeguato ai 10 MCi. Difficoltà di trasporto da gestire. Contatti in corso. Possibile finanziamento DOE (J. Link)

23 Sorgente 51Cr (~35 kg, arricchita 38% 50Cr)
Stima dei costi: PREMESSA: il costo reale delle sorgenti potrà essere noto solo dopo il completamento degli studi di fattibilità parzialmente finanziati nel 2012 e di cui si chiede integrazione per il 2013 Irraggiamento: 2-3 M€ (sulla base di ragionamenti preliminari a Petten) Contenitore: ~ 0.5 M€ (Tungsteno ~ 200 €/kg, 2 t + lavorazione) Trasporti: ~ 0.3 k€ ? (dipende molto da dove sta il reattore) Se necessario (dipende dal reattore che useremo) potrebbe aggiungersi il costo dell’arricchimento isotopico. Stima verbale URENCO ~ 1 M€ (conservativo) + costo della chimica Costo totale stimato: 4-5 M€ Richieste di fondi: La collaborazione ha presentato (P.I. M. Pallavicini) un progetto Europeo ERC Advanced Grant per un totale di M€ Jonatan Link (Virginia Tech) sottoporra al DOE un proposal di ~1.5 M$ per la ricerca e sviluppo per l’irraggiamento . In questo scenario l’irraggiamento si potrebbe fare ad Oak Ridge Collaboratori tedeschi, francesi e russi: call di Aspera ma per finanziamenti di contratti.

24 Organizzazione Spokespersons: Cristian Galbiati, Marco Pallavicini, Gioacchino Ranucci Institutional board Steering Committee: Marco Pallavicini (chairman), Barbara Caccianiga, Cristian Galbiati, Augusto Goretti, Gioacchino Ranucci, Hardy Simgen, Sergey Sukhotin  va rieletto DVC: Aldo Ianni (chairman), Cristian Galbiati, Marco Pallavicini, Gioacchino Ranucci, Gemma Testera Operational group: coordinator Augusto Goretti Technical Board: coordinator Paolo Lombardi Detector Manager (PMT & Electronics): Livia Ludhova DAQ Coordinator: Davide D’Angelo, Alessandro Razeto Analysis coordinator: Gemma Testera Working groups: 7Be seasonal modulation pp neutrinos Muons Anti-neutrinos (geo) Rare processes Software maintenance Detector stability pp-7Be-CNO-pep perspectives neutrinos and antineutrinos sources in Borexino