A Borexino napneutrínó-kisérlet. Counting Test Facility (CTF)

Átírás

1 A Borexino napneutrínó-kisérlet és a Counting Test Facility (CTF) I. Manno December 10,

2 Tartalom Csendes fizika (Underground Physics) I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) A neutrínók A Nap A napneutrínók Borexino Hozzájárulásom a Borexino napneutrínó-kisérlethez 2

3 Csendes fizika (Underground physics) Az utóbbi időben egyre nagyobb érdeklődés kiséri az úgynevezett csendes fizikát, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkező laboratóriumokban végeznek (Lev Borisovich Okun). A proton stabilitását. A neutrínókat. A napneutrínókat. A szupernovákat. Az egzotikus részecskéket A sötét anyagot. A kettős β-bomlást Az utóbbi időben egyre több földalatti kisérlet használja a távoli gyorsítókkal gyártott neutrínókat is. 3

4 A neutrínó A neutrínó hipotézis A neutrínó kisérleti kimutatása A neutrínó típusai A neutrínók mint a részecskefizika vizsgálatának tárgyai A neutrínók mint kutatási eszközök (szondarészecskék) A neutrínó-oszcilláció 4

5 I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Magasság 20 m Hosszúság 100 m Szélesség 18 m Térfogat m 3 Védelem (1494 m szikla) Müonok 3800 m.w.e. 1µh 1 m 2 (6 nagyságrend) m.w.e = meter in water equivalent I Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) Az INFN 1 a világ legkorszerűbb földalatti laboratóriumát hozta létre az Appenninek legmagasabb hegycsúcsai alatt. 1 INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare Az INFN irányítja és finanszírozza a magfizikai és részecskefizikai kutatásokat Olaszországban. 5

6 6 I Laboratori Nazionali del Gran Sasso

7 7 A főépület

8 8 A C-terem

9 Mennyi energiát sugároz szét a Nap? 1 cm 3 jég a Földön egy nyári napon 40 perc alatt elolvad. A Nap-Föld távolságának ( km) megfelelő sugarú, 1 cm vastag jégből álló gömbhéj is elolvad 40 perc alatt. Ha az előbb említett jégből álló gömbhéjat a Nap felszínére zsugorítjuk, akkor a Nap teljes felszínét beborító 0.44 km vastag jégréteg is elolvad 40 perc alatt. Ez a Föld térfogatának 2.5-szerese. A Paksi Atomerőmű teljesítménye 3180 MW. A Nap összsugárzása erg s 1 = Watt = MW. A Föld minden négyzetméterére kb. 1.5 kw-nyi napsütés árad. Ezt az energiát felhasználva pl. a Szahara homoksivatagban lehetne olyan erőművet építeni, amely 5.5 óra alatt annyi energiát termelne, amely fedezné a Föld egy éves energiaszükségletét. 9

10 Mekkora a Nap életkora? Kémiai reakció év 1862 William Thomson, később Lord Kelvin: gravitáció év 1859 Charles Darwin: erózió és evolució. On The Origin of the Species by Natural Selection év Mai tudásunk alapján: év 10

11 Madách Imre: Az ember tragédiája Négy ezredév után a Nap kihül, növényeket nem szül többé a Föld. Ez a négy ezredév hát a miénk, hogy a Napot pótolni megtanuljuk. Elég idő tudásunknak, hiszem. (Szilárd Leó kedvenc olvasmánya volt Az ember tragédiája.) 11

12 Miért nem tudtak a fizikusok helyes választ adni? A fizikusok azért kaptak rosszabb becslést Darwinnál, mert abban az időben még hiányoztak a fizikának azon részei, amelyek a probléma megoldásához szükségesek. Henri Bequerel 1896-ban fedezi fel a radioaktivitást, Albert Einstein pedig 1905-ben publikálja a speciális relativitás elméletét és benne a híres E = mc 2 képletét, amely a tömeg és energia equivalenciáját írja le ban Sir Arthur Eddington felvetette, hogy a Nap által szétsugárzott energia magreakciókban keletkezik és az energiának ez a forrása viszonylag közel van és kimeríthetetlen, amely kb évig fog ilyen mennyiségű energiát sugározni. A Nap életkorát ma az ősmeteoritokban és a Napban található radióaktív anyagok bomlása alapján becsüljük. 12

13 pp pep 99.77% 0.23% p + p d + e + + ν p + e - + p d + ν d + p 3 He + γ Hep 10-5 % 3 He + p 4 He + e + + ν 15.08% 3 He + 4 He 7 Be + γ 84.92% 7 Be 99.9% 0.1% 7 Be + e - 7 Li + γ + ν 7 Be + p 8 B + γ 8 B 3 He + 3 He 4 He + 2p 7 Li + p 2 4 He 8 B 2 4 He + e + + ν p-i p-ii p-iii pp-lánc Mitől ragyog a Nap? (Mi okozza a napsütést?) Hans Bethe és munkatársainak munkája alapján tudjuk, hogy a Napban és más csillagokban protonokból (p) nukleáris reakciók során héliummagok (α), pozitronok (e + ) és elektronneutrínók (ν e ) keletkeznek. Négy proton fúziója közben 26.7 MeV energia szabadul fel: 4p α + 2e + + 2ν e MeV. 1 ev = Joule. 13

14 A napneutrínó fluxusok Név Reakció fluxus(10 10 cm 2 s 1 ) energia(mev) pp p + p d + e + + ν e 6.0(1 ± 0.02) < 4.20 pep p + e + p d + ν e (1 ± 0.05) hep 3 He + p 4 He + e + + ν e < Be 7 Be + e 7 Li + ν e 0.47 (1 ± 0.15) 0.861(90%) 0.383(10%) 8 B 8 B 2α + e + ν e (1 ± 0.37) < N 13 N 13 C + e + + ν e (1 ± 0.5) < O 15 O 15 N + e + + ν e (1 ± 0.58) < F 17 F 17 O + e + + ν e (1 ± 0.47) < A napneutrínók 4p 4 He + 2e + + 2ν e MeV, pp-lánc. Hans Bethe és munkatársai dolgozták ki ben. CNO-ciklust 1938-ban dolgozta ki Karl Friedrich Weizsäcker (aki később Németország elnöke volt). A Napban az elmélet szerint csak ν e keletkeznek! elektronneutrínók 14

15 pp pep 99.77% 0.23% p + p d + e + + ν p + e - + p d + ν d + p 3 He + γ Hep 10-5 % 3 He + p 4 He + e + + ν 15.08% 3 He + 4 He 7 Be + γ 84.92% 7 Be 99.9% 0.1% 7 Be + e - 7 Li + γ + ν 7 Be + p 8 B + γ 8 B 3 He + 3 He 4 He + 2p 7 Li + p 2 4 He 8 B 2 4 He + e + + ν p-i p-ii p-iii pp-lánc 15 O 15 N + p 12 C + α 15 O 15 N + e + + ν 15 N + p 16 O + γ 12 C + p 13 N + γ 16 O + p 17 F + γ 13 N 13 N 13 C + e + + ν 17 F 17 F 17 O + e + + ν 13 C + p 14 N + γ Main cycle 14 N + p 15 O + γ CNO-cycle 17 O + p 14 N + α Secondary cycle CNO-ciklus 15

16 10 12 Solar neutrino spectrum pp N 7 Be 15 O F 7 Be 8 B pep hep A napneutrínók energiaspektruma

17 A napneutrínók problémája 1946-ban Bruno Pontecorvo azt javasolja, hogy ν e elektronneutrínókat 37 Cl targettel detektálják: ν e + 37 Cl 37 Ar + e ban Raymond Davis megkezdte úttörő kisérletét, a 37 Cl-kisérletet, a Homestake aranybányában az Egyesült Államokban. R. Davis az ún. Standard napmodell (Standard Solar Model SSM) által megjósolt értéknél lényegesen kevesebb napneutrínót detektált. A jósolt és mért érték közötti eltérés kapta a napneutrínók problémája elnevezés (Solar Neutrino Problem SNP). 17

18 7 Be/ 8 B Anomaly A napneutrínók újabb problémája (N. Hata és P. Langacker (1994)) neutrínó Φ/Φ ssm pp Be B

19 A kisérleti eredmények alapján eltérés van a kisérleti eredmények és az elméleti jóslatok között és ez az eltérés más és más az energia spektrum külömböző részein. Napneutrínó-problémák Jelentős különbség van a mért és jósolt napneutrínó fluxusok között. A különbség a mért és a jósolt érték között változik az energiával. 7 Be - 8 B probléma. A napneutrínó-kisérletek detektálják a 8 B-neutrínókat, de nem detektálják a 7 Be-neutrínókat. Ez pedig ellent mond a pp-lánc logikájának, amely szerint a Bór a Berilliumból keletkezik. 19

20 A napneutrínó-probléma megoldása Az elmélet szerint a Napban csak ν e elektronneutrínók keletkeznek. Mérni kell a Napból a detektorba érkező Φ(ν e ) elektronneutrínók fluxusát és a Napból a detektorba érkező Φ(ν x ), ν x = ν e, ν µ, ν τ valamennyi neutrínó fluxusát a típusoktól függetlenül. Eredmények Nincs oszcilláció, ha: Φ(ν e ) = Φ(ν x ), ν x = ν e, ν µ, ν τ. Van oszcilláció, ha: Φ(ν e ) < Φ(ν x ), ν x = ν e, ν µ, ν τ. 20

21 1 Neutrino Oscillation Neutrínó-oscilláció Neutrínó-oszcilláció Bruno Pontecorvo 1957-ben azt állította, hogy ha a neutrínóknak egymástól eltérő tömegük van és ha a leptonszám nem tökéletesen megmaradó mennyiség, akkor megvalósul a neutrínó-oszcilláció jelensége. ν e ν µ, ν τ, ν µ ν e, ν τ vagy ν τ ν e, ν µ. 21

22 Vákuum-oszcilláció P(ν e ν µ ) = sin 2 2ϑ sin 2 ( πl L v ), ahol L v = 2.5E/( m 2 ), ϑ a keveredés szöge és m 2 = m 2 2 m 2 1. P(ν e ν e ) = 1 sin 2 2ϑ sin 2 ( 1.27 m2 L ) = 1 sin 2 2ϑ sin 2 ( πl ). E L v ahol: L v = πl = 1.27 m2 L L v E πe 1.27 m 2 = 2.48( E m 2)., 22

23 MSW effektus (P.Mikheyev, A.Smirnov és L.Wolfenstein) ahol P MSW (ν e ν µ ) = sin 2 2ϑ sin 2 ( πl l m ) = 2 sin 2 ϑ W 2 sin 2 ( πlw l v ), W 2 = sin 2 2ϑ + ( 2G F N e 2E m 2 cos ϑ)2. 23

24 A napneutrínók energiától függő túlélési valószínűsége A Napban keletkező ν e elektronneutrínóknak a napmodell által jósolt energiaspektruma torzul amikor áthaladnak a Nap és a Föld sűrű anyagán, mivel elektronneutrínók kölcsönhatva az elektronokkal a töltött-áram közvetítésével akkora tömegre tehetnek szert, amely eléri a müonneutrínók, illetve a tauneutrínók tömegét és rezonáns módon átalakulhatnak ν µ müonneutrínóvá vagy ν τ tauneutrínóvá. Így a spektrum torzul. Az MSW átélési valószínűsége P MSW (ν e ν e ), hogy egy elektronneutrínó elektronneutrínó marad függ a m 2 tömegnégyzetek különbségétől, a ϑ, a különböző neutrínó típusok keveredési szögétől, a neutrínó energiájától az anyag elektronsűrűségétől és az elektron-neutrínón kölcsönhatás erőségétől. 24

25 10 12 Solar neutrino spectrum pp N 7 Be 15 O F Be 8 B pep hep Solar Neutrino Spectrum 1 Survival Probability Survival Probability 25

26 Borexino A Botexino története és neve A Borexino detektor A Counting Test Facility (CTF) A Borexino néhány eredménye 26

27 A Borexino napneutrínó-kisérlet története és neve 1987-ben R.S.Raghavan az AT&T Laboratories professzora javasolta a Borex napneutrínó-kisérletet. A borex egy műszó, amelyet a kisérlet nevéből alkottak: Boron Solar Neutrino Experiment. A detektor 2000 t szcintillátora bórt tartalmazott volna: TMB: (B(OCH) 3 ) 3. ν e + 11 B β + 11 C ν x + 11 B ν x + 11 B (CC) (NC) Később az együttműködés a megváltozott körülmények alapján egy kisebb (300 t) szcintillátort tartalmazó detektort terveztek és a kisérlet nevét Borexinora változtatták, amely kis Borexet jelent a neutron és neutrínó mintájára. 27

28 A Borexino néhány eredménye Alacsony rádioaktivitási szintek mérése (10 16 g/g) A 7 Be-neutrínók mérése A Pauli-féle kizárási elv alsó határa > év Földneutrínók mérése 28

29 29 The Borexino detector

30 30 A CTF PMT-it tartó állványzat

31 Hozzázjárulásom a kisérlethez Fényvezetők (LG) Szimuláció A fény terjedése a folyadékszcintillátorban Az események rekonstrukciója Az események azonosítása (PSD) 31

32 32

33 A Borexino fénygyüjtője egy fotoelektron-sokszoróval Fénygyüjtők Azért, hogy egy meghatározott számú PMT-vel több fényt gyüjtsünk össze az effectiv térfogatból, a PMT-ket fénygyüjtőkkel (Light Guide LG) kell ellátni. A fény a LG bejáratán (entry aperture) lép be a LG-ba és a kijárátán (exit aperture) távozik a LG-ból, ott ahol a PMT fotokatódja található, így a fény a fotokatódra esik. A LG felületét úgy kell megtervezni, hogy az effektív térfogatból. a lehető leghatékonyabban és legegyenletesebben gyüjtse össze a fényt. Napfénygyüjtők A termodinamikai korlát A nagy olajválság idején, a 1970-es évek elején (1973) előtérbe kerültek a nyersolajtól eltérő energiaforrások. Felvetődött annak az ötlete is, hogy a Nap sugárzási energiáját használják fel. Ehhez olyan fénygyüjtőket terveztek, amelyek az addig használt optikai eszközöknél hatékonyabban gyüjtötték össze a Nap sugárzását. A napkollektoroknál használt módszert adoptáltam mind a CTF, mind a Borexino fénygyüjtőinek tervezéséhez. A módszert string módszernek neveztem el. 33

34 A napsugárzás koncentrálásának termodinamikai korlátai. A termodinamika II. főtétele szerint a hő magától csak a melegebb helyről a hidegebb helyre áramlik, azaz a hőmérséklet-különbségek kiegyenlítődnek. A termodinamika II. főtétele alapján a Föld felszínén nem lehet a napsugárzást a Nap felszínén levő hőmérsékletnél magasabb hőmérsékletre koncentrálni. Ellenkező esetben egy olyan hőgépet lehetne készíteni, amely munkavégzés nélkül hőt szivattyúzna a Földről a Napba ez pedig egy perpetuum mobile lenne. A fénykoncentrálás maximális értéke: C = 1 sin 2 ϑ x, ahol ϑ x a Nap látószögének a fele. Egy parabola tükör esetében a fénykoncentrálás maximális értéke négyszer kisebb ennél az értéknél. 34

35 A szélső sugarak módszere Egy fénygyüjtő a merőlegesen beeső (ϑ = 0) fénysugártól egy (ϑ = ϑ x ) maximális szögig beeső fénysugarakat gyüjti össze. A kétdimenziós esetben a fénygyüjtő profilját úgy kell megtervezni, hogy a maximális ϑ x szög alatt beeső fénysugarak a fénygyüjtő felületén maximum egy tükröződés után a kijárat szélső peremére essen (lásd az ábrát). Az ennél kisebb szög alatt beeső fénysugarak nyilvánvalóan a kijáratba esnek (0 ϑ ϑ x ). Elméletileg a 2D-s profil 100% hatékonysággal gyüjti a fényt. A 3D fégyüjtő felületét a 2D-s profil szimmetriatengelye körüli forgatással kapjuk. Az így készített fénykoncentrátor bejáratának a sugara R x, a kijáratának a sugara R n, a bejárat és kijárat távolsága pedig L. A fénykoncentrációt durván a bejárat és a kijárat felületének aránya adja meg; C = ( R x R n ) 2. 35

36 String módszer A Nap esetében a fényforrás végtelen távol van. Így a szélső sugarak módszerét úgy változtattam meg, hogy az olyan esetre is jó legyen, ahol a forrás és a detektor közel van egymáshoz. Az LG profilját az ellipszis szerkesztésének ún kertészek módszeréhez 2 hasonlóan lehet megszerkeszteni. A fényvezetők profilja az ellipszis tulajdonságaihoz hasonló tulajdonsággal rendelkezik. A CTF és a Borexino fénygyüjtőinek profilját lásd az ábrákon. 2 Az ellipszis szerkesztése. Az ellipszis szerkesztésének ún. kertészek módszere szerint zsinórból kell egy 2a + 2c hosszúságú hurkot késziteni, amelyet ráhelyezünk a két fókuszpontba szúrt gombostűre és egy ceruzával a hurkot feszesen tartva megrajzolhatjuk az ellipszist. Az ellipszis érintője és normálisa felezi az érintési ponthoz tartozó vezérsugarak külső és belső szögét. 36

37 Edge-Ray Method A szélső sugarak módszere. 37

38 String Method String módszer. 38