Borexino: Egy napneutrínó-kisérlet

Borexino: Egy napneutrínó-kisérlet Manno István KFKI, Részecske- és Magfizikai Kutató Intézet 2007. julius 23. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.1/59

Tartalomjegyzék Bevezetés A csillagászat fejlődése Az elektromágneses sugárzás A csillagászat rövid története Standard Modell A neutrino A neutrínó mint kutatási eszköz Ritka események Ritka események számának növelése Háttéresemények Védekezés a háttéresemények ellen Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.2/59

Tartalomjegyzék (folytatás) Csendes fizika (Underground Physics) I Laboratori Nazionali del Gran Sasso A főépület A C-terem A csendes fizika kisérletei Hol születnek a neutrínók? Mennyi energiát sugároz szét a Nap? Mekkora a Nap életkora? Madách Imre: Az ember tragédiája Miért tévedtek a fizikusok? Mitől ragyog a Nap? Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.3/59

Tartalomjegyzék (folytatás) Termonukleáris reakciók a Napban A napneutrínók A napneutrínók energiaspektruma A napneutrínó események szelektálása A neutrínófizika mérföldkövei A 37 Cl-kisérlet A 37 Cl-kisérlet (Homestake) A napneutrínók problémái A napneutrínó-problémák megoldásai A neutrínó-oszcilláció Az MSW-effektus Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.4/59

Tartalomjegyzék (folytatás) A 7 Be- 8 B probléma A Borexino rövid története Borexino Borexino (ábra) Counting Test Facility (CTF) A CTF eredményei CTF Open Structure Hall-C and the CTF Water Tank Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.5/59

Bevezetés A Borexino napneutrínó-kisérlet azonos időben masszív folyadékszcintillátoros detektálási technikával méri az alacsonyenergiájú napneutrínókat különös tekintettel a 7 Be-neutrínókra. Az elmélet alapján a neutrínó-oszcilláció legnagyobb hatása az energiaspektrum ezen részére esik. A kisérlet számos fontos kérdésre fogja keresni a választ a reszecskefizika, a geofizika és az asztrofizika területén. A detektor rádioaktivitás szempontjából ultratiszta szcintillátora, nagy luminozitása és alacsony küszöbenergiája első alkalommal teszi lehetővé az alacsonyenergiájú események spektroszkopikus mérését. A kisérlet megvalósítására a Gran Sasso-i földalatti laboratóriumban kerül sor. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.6/59

A csillagászat fejlődése A csillagászat a világegyetem megismerésével, az égitestek tanulmányozásával foglalkozó tudomány. A legrégebbi természettudományok közé tartozik. Irásos és régészeti emlékek tanuskodnak arról, hogy elődeink több évezrede már foglalkoztak csillagászati problémákkal. A távcső felfedezésétől kezdve egyre több ablak nyilt ki a csillagos ég tanulmányozására. Különösen a XX. század második felében az emberi szem számára láthatatlan sugárzásokkal számos új jelenséget fedeztek fel például: az ősrobbanásból származó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (CMBR), az aktív galaxismagokat (AGN), a gammasugárzási forrásokat (GRB), stb. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.7/59

Elektromágneses sugárzás Sugárzás Hullámhossz (m) Frekvencia (Hz) Rádió 3 10 1 < λ < 2 10 3 1.5 10 5 < ν < 3 10 13 hosszú 1 10 3 < λ < 2 10 3 1.5 10 5 < ν < 3 10 5 közép 1.5 10 2 < λ < 6 10 2 5 10 5 < ν < 2 10 6 rövid 1.5 10 1 < λ < 5 10 1 6 10 6 < ν < 2 10 7 ultrarövid 1 < λ < 1.5 10 1 2 10 7 < ν < 3 10 8 mikrohullám 3 10 5 < λ < 1 3 10 8 < ν < 10 13 Infravörös 7.6 10 7 < λ < 3 10 4 3 10 12 < ν < 3.9 10 14 Látható 3.8 10 7 < λ < 7.6 10 7 3.9 10 14 < ν < 7.8 10 15 Ultraibolya 10 8 < λ < 3.8 10 7 7.8 10 14 < ν < 3 10 16 Röntgen (X) 10 12 < λ < 10 8 3 10 16 < ν < 3 10 20 Gamma (γ) 3 10 14 < λ < 3 10 10 3 10 18 < ν < 6 10 22 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.8/59

A csillagászat rövid története 1608 hollandiai távcső 1590 olasz távcső (Galilei) 1945 számítógép (Neumann) 1946 Radarcsillagászat (Bay) Röntgencsillagászat 1964 neutrínócsillagászat Rádiócsillagászat Infravöröscsillagászat Ultraibolyacsillagászat Gammacsillagászat Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.9/59

A Standard Modell Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.10/59

Neutrínó A részecskék standard modellje a világmindenséget néhány építőelem (hat kvark és hat lepton és ezek antirészecskéi) és a köztük végbemenő négy alapvető kölcsönhatás segítségével írja le. Három elektromosan töltött leptont ismerünk: az elektront (e ) és a hozzá hasonló, de nála nehezebb müont (µ ) és a taut (τ ). Minden töltött leptonhoz tartozik egy elektromosan semleges lepton, egy neutrínó: az elektronhoz az elektronneutrínó (ν e ), a müonhoz a müonneutrínó (ν µ ), a tauhoz pedig a tauneutrínó (ν τ ). A neutrínók a gravitációskölcsönhatáson kívül csak a gyengekölcsönhatásban vesznek részt, ezért nagyon nehéz detektálni őket. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.11/59

A neutrínó mint kutatási eszköz A neutrínók kiváló kutatási eszközök, szondarészecskék. Ennek az a magyarázata, hogy az anyaggal csak gyengén hatnak kölcsön. Az anyag alig abszorbeálja őket, az elektromos és mágneses mezők nem hatnak rájuk, így a keletkezési helyüktől egyenes vonalban érkeznek meg a detektorhoz, megőrizve az információt a keletkezésük körülményeiről (impulzus, energia, a keletkezési helyükhöz mutató irány). Más szondarészecskéket az anyag abszorbeál. Az elektromosan töltött részecskéket eltérítik az elektromos és mágneses mezők. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.12/59

Ritka események Vannak olyan események, amelyek nagyon ritkán következnek be, ilyen események például az olyan bomlások, amelyeknek nagyon kicsi a bomlási állandójuk, vagy olyan részecskék kölcsönhatásai, amelyek az anyaggal nagyon gyengén hatnak kölcsön, nagyon kicsi a hatáskeresztmetszetük, ilyenek például a neutrínó-kölcsönhatások. A Nagy Magellán-felhőben 1987 február 23-án felragyogott egy szupernova (SN1987A). Ebben a csillagrobbanásban 10 69 neutrínó keletkezett, ezek közül 10 16 haladt át a Kamiokande II. (3000(680) tonna víz) detektoron és a detektor ezek közül csupán tizenkettőt vett észre (detektált). Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.13/59

A ritka események számának növelése A ritka események számát az esemény típusától függően különböző módon lehet növelni: Nagy céltárgyat kell használni, amelyben sok részecske van (több ezer tonna). Nagy intenzitású részecskenyalábot kell alkalmazni. Ha lehetséges növelni kell a részecskék hatáskeresztmetszetét. Hosszú ideig kell mérni (több év). Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.14/59

Háttéresemények Háttéreseményeknek nevezzük azokat az eseményeket, amelyek a vizsgálni kivánt eseményekhez hasonló nyomot képesek hagyni a detektorban. A napneutrínó-események esetében a kozmikussugárzás és a természetes radioaktivitás háttéreseményeket hoznak létre. Azért, hogy a háttéresemények ne zavarják a vizsgálatra kiválasztott események kiértékelését, a számukat egy meghatározott érték alá kell csökkenteni. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.15/59

Védekezés a háttéresemények ellen A háttéresemények elleni védekezésnek két módja van. Az aktív esetben fel kell ismerni a háttéreseményeket és a felismert eseményeket ki kell zárni a vizsgálni kivánt események közül (antikoincidencia, trigger, offline software). A passzív esetben, például a kozmikussugárzás ellen vastag anyagréteggel lehet védekezni. Ezért a kisértleteket mélyen a föld alatt, vagy a víz alatt végzik. A természetes radioaktivitás ellen pedig úgy lehet védekezni, hogy a detektorban és a környezetében a radioaktivitás szempontjából megfelelően tiszta anyagokat kell használni. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.16/59

Csendes fizika (Underground physics) Az utóbbi időben egyre nagyobb érdeklődés kiséri az úgynnevezett csendes fizikát, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkező laboratóriumokban végeznek. A Csendes fizika a fizika egy viszonylag fiatal ága, amely csupán néhány évtizedes múltra tekinthet vissza. A csendes fizika két szempontból is találó elnevezés. Először is azért, mivel kozmikus csend uralkodik azokon a helyeken, ahol ezeket a kisérleteket végzik. Másodszor pedig azért, mert ezeken a helyeken nem lehet hallani a Föld felszínén létező zajokat. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.17/59

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.18/59

Main Building Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.19/59

Hall-C Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.20/59

A csendes fizika kisérletei Vannak olyan problémák, amelyeket gyorsítós kisérletekkel lehetne tanulmányozni, azonban a jelenlegi gyorsítók méreteiből kiindulva olyan nagy gyorsítót kellene építeni, amelynek kerülete nagyobb lenne a Föld egyenlítőjénél. Ilyen gyorsító megépítésére nyilvánvalóan nincs mód. Lehet, hogy az Univerzum születésekor az ősrobbanásban (Big Bang) keletkeztek és még ma is léteznek egzotikus részecskék, mivel elkerülték azt, hogy a keletkezésük után találkozva antirészecskéjükkel annihilálódjanak. Ilyen esetben azt tehetjük, hogy építünk egy detektort és várjuk, hogy a részecske áthaladjon a detektoron. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.21/59

Hol születnek a neutrínók? Részecskegyorsítókban, atombombarobbantásokban, atomreaktorokban. Földben a radioaktív bomlásokban és az atmoszférában a kozmikussugárzás hatására. A Napban és a csillagokban végbemenő termonukleáris reakciókban. A szupernováknak nevezett csillagrobbanásokban. Az Univerzum más aktív részeiben, mint például az aktív galaxisokban. A sötét anyag annihilációjakor Az ősrobbanásban (háttérneutrínók). Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.22/59

Mennyi energiát sugároz szét a Nap? 1 cm 3 jég a Földön 40 perc alatt elovad egy nyári napon. A Nap-Föld távolságának megfelelő sugarú (150 millió kilométer), 1 cm vastag jégből álló gömbhéj is elolvad 40 perc alatt. A Nap teljes felszínét beborító 0.44 km vastag jégréteg is elolvat 40 perc alatt. Ez a Föld térfogatának 2.5-szerese. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.23/59

Mekkora a Nap életkora? A Nap által szétsugárzott energia és a Nap életkora olyan szoros kapcsolatban áll egymással, mint egy érem két oldala. Kémiai reakció 1862 Lord Kelvin: gravitáció Charles Darwin: erózió és evolució Mai tudásunk alapján: 3000-4000 év 20 000 000 év 300 000 000 év 4 600 000 000 év Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.24/59

Madách Imre: Az ember tragédiája Madách Imre 1860-ban írt drámájában, Az ember tragédiájában, Ádám újra meg újra testet ölt a történelem nagy alakjaiban, hogy újabb társadalmi modellt kipróbálva keresse az emberiség célját. A tizenkettedik színben a falanszter jelenetben a Nap végzetéről a természettudós a következőképpen elmélkedik: Négy ezredév után a Nap kihül, növényeket nem szül többé a Föld. E négy ezredév tehát a miénk, hogy a Napot pótolni megtanuljuk. Elég idő tudásunknak, hiszem. (Szilárd Leó kedvenc olvasmánya volt Az ember tragédiája.) Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.25/59

Miért tévedtek a fizikusok? A fizikusok a Nap életkorára azért adtak rosszabb becslést, mint Charles Darwin, mert ebben az időben a fizikának még hiányoztak azok a részei, amelyek szükségesek a probléma megoldásához. Henri Bequerel 1896-ben fedezi fel a radioaktivitást. Albert Einstein 1905-ben publikálja a speciális relativitás elméletét és ebben a híres E = mc 2 képletét. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.26/59

Mitől ragyog a Nap? Mélyen a Nap belsejében termonukleáris reakciókban négy proton (p) héliumatommaggá ( 4 2He) alakul: 4p 4 2 He + 2e + + 2ν e + 26.73 MeV, ahol e + a pozitront, ν e pedig az elektronneutrínót jelöli. 1 ev = 1.602 10 19 Joule. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.27/59

Termonukleáris reakciók a Napban pp pep 99.77% 0.23% p + p d + e + + ν p + e - + p d + ν 15 O 15 N + p 12 C + α 15 O 15 N + e + + ν 15 N + p 16 O + γ Hep 10-5 % 12 C + p 13 N + γ 16 O + p 17 F + γ d + p 3 He + γ 3 He + p 4 He + e + + ν 13 N 17 F 15.08% 13 N 13 C + e + + ν 17 F 17 O + e + + ν 3 He + 4 He 7 Be + γ 7 Be 99.9% 0.1% 13 C + p 14 N + γ 14 N + p 15 O + γ 17 O + p 14 N + α 84.92% 7 Be + e - 7 Li + γ + ν 7 Be + p 8 B + γ 8 B Main cycle Secondary cycle 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 CNO-cycle pp-chain 98.5% CNO-cycle 1.5% Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.28/59

Napneutrínók Napneutrínóknak nevezzük azokat a neutrínókat, amelyek a Napban keletkeznek. A Nap által szétsugárzott energia mélyen a Nap belsejében keletkezik termonukleáris reakciók láncolatában. A reakcióknak ebben a láncolatában protonokból (p) több lépésben hélium ( 4 He) keletkezik. A reakciók közül többen elektronneutrínó keletkezik. A neutrínók könnyen kijutnak a Nap belsejéből és a keletkezésüktől számítva 2 másodperc alatt eljutnak a Nap felszínére és nyolc perc alatt elérik a Földet. A napneutrínók fluxusa a Föld felszínén: 6.57 10 10 cm 2 s 1. A napneutrínókat annak alapján osztályozzuk, hogy milyen reakciókban keletkeznek. Így például a p + p d + e + + ν e reakcióban keletkező neutrínókat pp-neutrínóknak nevezzük. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.29/59

A napneutrínók energiaspektruma 10 12 Solar neutrino spectrum 10 11 pp 10 10 10 9 13 N 7 Be 15 O 10 8 10 7 10 6 17 F 10 5 7 Be 8 B 10 4 10 3 pep hep 10 2 10-1 1 10 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.30/59

A napneutrínó események szelektálása A napneutrínó-események számának növelése: Nagy céltárgy Hosszú mérési idő A háttéresemények számának csökkentése: A kozmikussugárzás csökkentése: Passzív: Aktív: A természetes rádióaktivitás csökkentése: Külső: Belső: (több ezer tonna) (több év) Védő anyagréteg µ-vétó Védő anyagréteg Tiszta anyagok Folyamatos tisztítás A háttéresemények felismerése és eliminálása. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.31/59

A neutrínófizika mérföldkövei 1946-ban Bruno Pontecorvo a Klór targetet javasolja a neutrínók detektálására: ν + 37 Cl e + 37 Ar. 1957-ben Bruno Pontecorvo felveti a neutrínó-oszcilláció lehetőségét. 1964-ben Raymond Davis Jr. elkezdi az úttörő Cl-kisérletét a Homestake aranybányában. 1968-ban Raymond Davis bejelenti a Cl-kisérlet eredményeit és a napneutrínók problémáját (SNP). Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.32/59

A 37 Cl-kisérlet Ezt az úttörő radiokémiai kisérletet 1964-ban kezdi el Ray Davis munkatásaival. A kisérlet 4850 láb mélyen található a Homstake aranybányában. A detektor tartályában 615 tonna tisztítószer (C 2 Cl 4 ) van. Az elektronneutrínó (ν e ) a következő reakciót hozza létre a detektorban: ν e + 37 Cl e + 37 Ar, E th = 0.814 MeV. Az 37 Ar atom instabil. A bomlásideje kb. 35 nap. A 37 Cl atomok között található 37 Ar atomok megkeresése hasonló nagysárendű feladat, mintha a Szahara homoksivatagban egy meghatározott homok szemet kellene megkeresni. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.33/59

A 37 Cl-kisérlet (Homestake) Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.34/59

A napneutrínók problémái 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. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.35/59

A napneutrínó-problémák megoldása A napneutrínó-kisérletektől származó adatokat sokan analizálták és az az általános vélemény, hogy a mérési eredmények és az elméleti jóslatok közötti különbségekre nem lehet egyszerű asztrofizikai magyarázatot találni. Másrészt a részecskefizikai megoldások, amelyek azon a feltételezésen alapulnak, hogy a neutrínóknak zérustól különböző tömegük van és ezért létrejön a neutrínó-oszcilláció jelensége, az összes mérési eredményre képesek magyarázatot adni. A jelenlegi napneutrínó kisérletek közül a Borexino-detektor az egyetlen, amely a napneutrínók energiaspektrumának a < 1 MeV tartományát képes mérni. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.36/59

Neutrínó-oszcilláció 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 m2 1 a neutrínótömegek négyzetének a különbsége. MSW effektus (P.Mikheyev, A.Smirnov és L.Wolfenstein) P MSW (ν e ν µ ) = sin 2 2ϑ sin 2( πl l m ) = 2 sin2 ϑ W 2 sin 2( πlw l v ). W 2 = sin 2 2ϑ + ( 2GF N e 2E m 2 cos ϑ ) 2. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.37/59

7 Be- 8 B probléma 7 Be/ 8 B Anomaly 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 neutrínó Φ/Φ ssm pp 1.0 7 Be 0.0 8 B 0.4 0.2 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.38/59

7 Be- 8 B probléma 10 12 Solar neutrino spectrum 10 11 pp 10 10 10 9 13 N 7 Be 15 O 10 8 10 7 10 6 10 5 10 4 17 F 7 Be 8 B 10 3 pep hep 10 2 10-1 1 10 1 Survival Probability 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 5 10 15 20 25 30 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.39/59

A Borexino rövid története 1987-ben R.S. Raghavan a AT & T Laboratories professzora javasolja a Borex kisérletet. A BOREX egy műszó, amelyet a kisérlet eredeti nevéből alkottak: Boron Solar Neutrino Experiment. A detektor 2000 t szcintillátora bórt tartalmazott: TMB (B(OCH 3 ) 3 ). ν e + 11 B β + 11 C (CC), ν x + 11 B ν x + 11 B (NC). Később az együttmüködés, a megváltozott körülmények alapján egy kisebb (300 t) detektor építését határozta el. A kisérlet nevét is Borexinora vátoztatta, amely kis BOREXet jelent, ugyanúgy mint a neutron és neutrínó esetében. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.40/59

Borexino Ez a detektor massziv folyadékszcintillátoros detektálási technikával azonosidőben méri a napneutrinókat különös tekintettel a 7 Be-neutrínókra. A detektor nagy luminozitása, a radióaktivitás szempontjából ultra-tiszta szcintillátor az első alkalommal teszi lehetővé az alacsonyenergiájú (< 1 MeV) napneutrínók spektroszkópikus mérését. A kisérlet célja, hogy a ν + e ν + e neutrínó-elektron szórás segítségével mérje a 7 Be-neutrínókat a típusuktól függetlenül. A Borexino számos érdekes problémát fog tanulmányozi a részecskefizika, a geofizika és az asztrofizika területén. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.41/59

Borexino Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.42/59

Counting Test Facility 1995 februárjától működik egy nagytérfogatú (4.8 m 3 ) nemszegmentált folyadékszcintillátoros detektor a Gran Sasso-i földalatti laboratórium C-termében. Ez a detektor a Counting Test Facility elnevezést kapta. Ennek a detektornak az volt a főfeladata, hogy különböző módszerekkel ultraalacsony radioaktivitás értéket mérjen és segítségével kifejlesztsenek olyan módszereket, amelyekkel ez az alacson radioaktivitás hosszú időn keresztül fenttartható és folyamatosan tisztítható. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.43/59

A CTF eredményei A CTF rekordokat állított fel a nagytérfogatú szcintillátor radioaktivitásának mérése területén. A Borexino 10 16 g/g értékig képes mérni, amely négy nagyságrenddel felülmúlja a hagyományos módszereket (10 12 g/g). 14 C koncentráció: 14 C/ 12 C = (1.85 ± 0.13 ± 0.01) 10 18 232 Th szennyezettség: 238 U szennyezettség: 4.4 +1.5 1.2 10 16 g/g. (3.5 ± 1.3) 10 16 g/g. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.44/59

CTF Open Structure Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.45/59

A C-terem és a CTF víztartálya Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.46/59

Hungarian contribution to Borexino Since 1994 two egineers, György Korga and László Papp, have been working on the construction of the Borexino detector. The collaboration is very content with their work. Since 1987, from the beginning of the collaboration I have been working for the Borexino collaboration, from 1987 to 1994 in Milano. I had the fortune to work for the first largevolume, non-segmented liquid scintillator detector. So I have faced and solved several problems concerning this kind of detectors for the first time. Some of them: Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.47/59

Shape of Light Guide Edge-ray method Light tipically enters a concentrator over a range of angles from head-on, or zero degrees, to some maximum angle. In the edge-ray method, all light rays entering at the maximum angle are directed, after one reflection at most, to the rim of the exit aperture. The remaining rays, at intermediate angles, should therefore be reflected within the exit aperture itself. This method works perfectly in two dimensions (trough-shaped concentrators) and nearly perfectly in three dimensions (cone-shaped concentrators). Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.48/59

Light collector design Edge-Ray Method String Method 100 300 80 250 60 200 150 40 100 20 50 0-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 0-100 -75-50 -25 0 25 50 75 100 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.49/59

Light collector of Borexino Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.50/59

Event Simulation The Monte-Carlo program simulates the photomultiplier signals of large scintillation detectors produced by the scintillation light. The light scattering, the refraction/reflection, the absorption and emission processes are taken into account in the simulation. The number of emitted scintillation photons are determined from the deposited energy. Each scintillation photon is tracked from its birth point to the point ehere it is detected or to the point where it is absorbed and no other photons are emitted. When a photon is detected then the produced charge and time signals are calculated. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.51/59

Flowcharts of event simulation Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.52/59

Event reconstruction The algorithm calculates the space-time coordinates of the scintillation event and the deposited energy from the photomultiplier tube signals by means of statistical methods. If one has four PMT signals and the PMTs are not in the same plain, then the event s space-time coordinates may be calculalated, from the PMT coordinates. The problem is that due to the scintillation decay and the PMT time jitter the error of the PMT time signal is in the order of few nanoseconds. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.53/59

Event reconstruction 100 75 50 25 0-25 -50-75 -100-100 -75-50 -25 0 25 50 75 100 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.54/59

α/β discrimination (PSD) The liquid scintillator exhibits a sizeable slow-decay component of the scintillation light from heavily ionizing particles such as proton and α-particle, commonly used to discriminate them from electrons and gamma rays. A statistical method was used to separate α-particles from the electrons and gamma rays. I have invented a statistical method to discriminate α- particles. It worked better then the usual tail to total method. I was very proud of it. Later I realised that unfortunately Kolmogorov has solved the problem earlier. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.55/59

Scintillation decay curves 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.56/59

α/β-discrimination 1.2 90 1 80 70 0.8 60 0.6 50 40 0.4 30 0.2 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0-1 -0.8-0.6-0.4-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.57/59

Monitor A Monitor ellenőrzi a mért adatok minőségét és a mérőberendezés állapotát. Ehhez felhasznalja a mérési adatokat, a münok által hagyott jeleket, a detektor simmetria tulajdonságait stb. Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.58/59

Monitor 6 4 run 726, gr 1, tdc 2 6000 5000 0 4000-2 3000-4 2000 1000-6 0 10 20 30 40 50 60-6 -4-2 0 2 4 6 Borexino: Egy napneutr ınó-kisérlet p.59/59