Borexino es un experimento de física de partículas subterráneo profundo para estudiar neutrinos solares de baja energía (sub-MeV) . El detector es el calorímetro de centelleo líquido con mayor radiopureza del mundo y está protegido por 3.800 metros de profundidad equivalente a agua (un volumen de roca aérea equivalente en poder de protección a esa profundidad de agua). El centelleador es pseudocumeno y PPO que se mantiene en su lugar mediante una fina esfera de nailon. Está colocado dentro de una esfera de acero inoxidable que contiene los tubos fotomultiplicadores (PMT) utilizados como detectores de señales y está protegido por un tanque de agua para protegerlo contra la radiación externa. La PMT que apunta hacia afuera busca destellos de luz orientados hacia afuera para marcar los muones cósmicos entrantes [1] que logran penetrar la sobrecarga de la montaña de arriba. La energía de los neutrinos se puede determinar a través del número de fotoelectrones medidos en los PMT. Mientras que la posición se puede determinar extrapolando la diferencia en los tiempos de llegada de los fotones a los PMT en toda la cámara. [2]
El objetivo principal del experimento es realizar una medición precisa de los flujos de neutrinos individuales del Sol y compararlos con las predicciones del modelo solar estándar . Esto permitirá a los científicos probar y comprender mejor el funcionamiento del Sol (por ejemplo, los procesos de fusión nuclear que tienen lugar en el núcleo del Sol, la composición solar, la opacidad, la distribución de la materia, etc.) y también ayudará a determinar las propiedades de las oscilaciones de neutrinos. , incluido el efecto RSU . Los objetivos específicos del experimento son detectar neutrinos solares de berilio-7, boro-8, pp, pep y CNO , así como antineutrinos de la Tierra y de centrales nucleares. El proyecto también podría detectar neutrinos de supernovas dentro de nuestra galaxia con un potencial especial para detectar la dispersión elástica de neutrinos en protones, debido a interacciones de corrientes neutras. Borexino es miembro del Sistema de Alerta Temprana de Supernovas . [3] También se están realizando búsquedas de procesos raros y posibles partículas desconocidas.
El nombre Borexino es el diminutivo italiano de BOREX ( Experimento de neutrinos solares de boro ), después de que la propuesta experimental original de 1 kT fiducial con un centelleador diferente ( TMB ), fuera descontinuada debido a un cambio de enfoque en los objetivos de la física, así como a limitaciones financieras. [4] El experimento está ubicado en el Laboratori Nazionali del Gran Sasso cerca de la ciudad de L'Aquila , Italia, y cuenta con el apoyo de una colaboración internacional con investigadores de Italia, Estados Unidos, Alemania, Francia, Polonia, Rusia y Ucrania. [5] El experimento está financiado por múltiples agencias nacionales; los principales son INFN (Instituto Nacional de Física Nuclear, Italia) y NSF (National Science Foundation, EE.UU.). En mayo de 2017, Borexino cumplió 10 años de funcionamiento continuo desde el inicio de su período de toma de datos en 2007.
El experimento SOX fue un subproyecto diseñado para estudiar la posible existencia de neutrinos estériles u otros efectos anómalos en las oscilaciones de neutrinos a distancias cortas mediante el uso de un generador de neutrinos basado en cerio-144 radiactivo colocado debajo del tanque de agua del detector Borexino. Este proyecto fue cancelado a principios de 2018 debido a la cancelación en 2017 del contrato de cerio-144 por parte de la planta rusa de reprocesamiento de combustible Mayak . Se cree que la cancelación está relacionada con el aumento anómalo de la radiactividad aérea en Europa durante el otoño de 2017 , cuya fuente finalmente se localizó en la planta de reprocesamiento de Mayak.
Todo el experimento Borexino finalizó en octubre de 2021. [6]
La propuesta inicial de BOREX se hizo en 1986. [4] En 1990, el diseño se modificó fundamentalmente y el nombre del experimento se cambió a "Borexino". La investigación y el desarrollo del detector comenzaron en ese momento. [4] En 2004, se había completado la estructura del detector, y en mayo de 2007 se había llenado la cámara del detector y se había iniciado la toma de datos. [5] [8]
Los primeros resultados de la colaboración se publicaron en agosto de 2007 en: “ Primera detección en tiempo real de 7 neutrinos solares Be por Borexino ”. [9] [10] El tema se amplió aún más en 2008. [11] En 2010, se observaron por primera vez " geoneutrinos " del interior de la Tierra utilizando Borexino. Se trata de antineutrinos producidos en las desintegraciones radiactivas de uranio, torio, potasio y rubidio, aunque sólo los antineutrinos emitidos en las cadenas 238 U / 232 Th son visibles debido al canal de reacción de desintegración beta inversa al que es sensible Borexino. [12] [13] Ese año, también se publicó la medición del umbral más bajo (3 MeV) del flujo de neutrinos solares 8 B. [14] Además, se llevó a cabo una campaña de calibración del detector de fuentes múltiples, [15] donde se insertaron varias fuentes radiactivas en el detector para estudiar su respuesta a señales conocidas y cercanas a las que se esperaba estudiar. En 2011, el experimento publicó una medición de precisión del flujo de neutrinos de berilio-7, [16] [17] , así como la primera evidencia de los neutrinos solares pep . [18] [19]
Los resultados de las mediciones de la velocidad de los neutrinos del CERN al Gran Sasso se publicaron en 2012. Estos resultados fueron consistentes con la velocidad de la luz , [20] confirmando así que la anomalía de neutrinos más rápidos que la luz reportada a principios de año era una medición errónea. También se llevó a cabo una extensa campaña de purificación de centelleadores, logrando el exitoso objetivo de reducir aún más los niveles de radiactividad de fondo residual a cantidades bajas sin precedentes (hasta 15 órdenes de magnitud por debajo de los niveles de radiactividad de fondo natural ).
En 2013, los experimentos de Borexino agregaron nuevos límites a los parámetros de neutrinos estériles. [21] También extrajeron una señal de geoneutrinos , [22] que da una idea de la actividad de los elementos radiactivos en la corteza terrestre, [23] un campo hasta ahora poco claro. [24]
Un análisis de la actividad de fusión protón-protón en el núcleo solar, publicado en 2014, encontró que la actividad solar se ha mantenido consistentemente estable en una escala de 10 5 años. [25] [26] Una vez considerado el fenómeno de las oscilaciones de neutrinos, tal como lo describe la teoría MSW , la medición de Borexino es consistente con las expectativas del modelo solar estándar . Este resultado proporcionó datos importantes para comprender el funcionamiento del Sol. Experimentos anteriores sensibles a neutrinos de baja energía (SAGE, Gallex , GNO) contaron neutrinos por encima de una determinada energía, pero no midieron los flujos individuales.
En 2015 se presentó un análisis espectral actualizado de geoneutrinos . [27] Además, se instaló un Sistema de Monitoreo y Gestión de Temperatura en varias fases a lo largo de 2015, [28] consistente en el Sistema de Sonda de Temperatura Latitudinal (LTPS) multisensor, cuyas pruebas e instalación de la primera fase se produjeron a finales de 2014; y el Sistema de Aislamiento Térmico (TIS) que minimizó la influencia térmica del ambiente exterior sobre los fluidos interiores [29] a través del aislamiento extenso de las paredes externas del experimento. Más tarde, en 2015, Borexino también arrojó el mejor límite disponible para la vida útil del electrón (a través de la desintegración e − →γ+ν), proporcionando la confirmación más estricta de la conservación de la carga hasta la fecha. [30]
El Sol es un gran productor de neutrinos a partir de una variedad de diferentes mecanismos de fusión, como pp y CNO, que son los dos mecanismos de producción de neutrinos más dominantes y se han realizado extensas investigaciones en Borexino. Debido a la propiedad de los neutrinos de evitar interacciones, les permite actuar como partículas mensajeras, dando una idea del funcionamiento interno de la fusión nuclear en el núcleo del Sol. Para detectar estos neutrinos solares, primero deben interactuar con los electrones libres dentro del centelleador líquido mediante dispersión elástica electrón-neutrino ( ). [1] Aunque el flujo de neutrinos incidentes es alto ( ), la sección transversal de interacciones es significativamente más pequeña, lo que resulta en una tasa de interacción de solo varias docenas de conteos por día. [2] A través de esta interacción, el neutrino deposita parte de su energía en el electrón, excitándolo potencialmente. Cuando el electrón cae al estado fundamental, emite un fotón y sufre cierto retroceso con una energía de retroceso asociada. El retroceso de la energía del electrón es un espectro con una energía máxima dada por:
A partir de la conservación de la energía, es posible resolver la energía del neutrino incidente para luego distinguir entre neutrinos pp y CNO analizando el espectro de energía resultante.
El proceso de producción de pp , en el que el hidrógeno se fusiona en helio, es la principal fuente de producción de energía en el Sol (así como en otras estrellas similares al Sol que tienden a quemarse a menor temperatura y son de menor tamaño), así como la dominante. fuente de neutrinos, específicamente neutrinos electrónicos ( ). Borexino realizó la primera detección directa de neutrinos pp durante la segunda fase de recopilación de datos, que abarca desde principios de 2012 hasta mayo de 2013.
Los neutrinos originados en el proceso CNO se identifican a partir del espectro energético observado, caracterizado por una distribución de energía muy amplia, que va de 0 a 1740 keV [2] como se ve en la figura de la derecha. La detección de estas partículas da una idea directa de la metalicidad del núcleo del Sol, ya que el flujo de neutrinos CNO depende de la abundancia de elementos más pesados (cualquier cosa más pesada que 4 He). También se cree que CNO es el proceso de fusión dominante en estrellas mayores que . [2] Para identificar con seguridad los recuentos de neutrinos CNO, es necesario amortiguar los recuentos de 210 Bi (cuya desintegración se asemeja mucho al espectro de energía de los neutrinos CNO) imponiendo una condición de "triple coincidencia muón-positrón-neutrón". [2]
En 2017, Borexino proporcionó la primera medición espectroscópica de banda ancha del espectro solar ν, [31] presentando las mediciones simultáneas y más precisas disponibles de los flujos de neutrinos 7 Be, pep y pp , extraídos además de una única ventana de energía extendida (190-2930 keV). Estas mediciones alcanzaron una precisión de hasta el 2,7% (en el caso de los neutrinos solares de berilio) y establecieron una confirmación de 5σ de la presencia de neutrinos pep . El límite de los tan buscados neutrinos CNO se mantuvo en el mismo nivel de significancia que en los resultados anteriores de Borexino, que mantienen el mejor límite hasta el momento, pero con suposiciones más débiles, lo que hace que el resultado sea más sólido. Para este resultado fueron fundamentales estadísticas muy ampliadas gracias a los años adicionales de exposición, así como técnicas de análisis renovadas y simulaciones de última generación de MonteCarlo de todo el detector y sus procesos físicos. [32] Además, se publicó una observación actualizada de 8 neutrinos B [33] con datos de Fase I y II (2008-2016), mejorando la precisión a aproximadamente el doble que la medición anterior de este componente solar, e insinuando un ligero favorecimiento de los SSM de alta metalicidad con los datos de neutrinos solares disponibles. En 2017 también se informó de una mejora en la sensibilidad a la modulación estacional de la señal de neutrinos solares [34]. Ese mismo año, Borexino también estableció el mejor límite de observación directa disponible para el momento magnético de neutrinos. [35] Una señal de neutrino relacionada con las observaciones de ondas gravitacionales GW150914, GW151226 y GW170104 fue rechazada dentro de la sensibilidad de Borexino, como se esperaba. [36]
En 2020, Borexino detectó los primeros neutrinos CNO del núcleo solar profundo. [37]
También es posible estudiar la composición interior de la Tierra mediante la detección de geoneutrinos producidos por las desintegraciones beta de elementos radiactivos presentes en la corteza. Algunos elementos de interés incluyen 238 U, 232 Th y 40 K debido a su abundancia en las rocas y su vida media es comparable a la vida de un planeta en la escala de miles de millones de años, lo que conduce al calentamiento de la superficie de la Tierra por vía radiogénica. calefacción .
Cuando tales elementos emiten partículas de antineutrino a través de la desintegración beta menos, interactúan con los protones atómicos en el centelleador, que luego produce un positrón y un neutrón (
v
mi+p→e + +n). [1] [38] El positrón finalmente se desintegra en dos fotones de 0,511 MeV. El neutrón, el otro producto de la reacción antineutrino-protón, es capturado por un protón mediante el proceso de captura de neutrones que libera un fotón de 2,22 MeV debido a la desexcitación. [38] Los PMT son capaces de detectar estos destellos de luz y, en combinación, estas dos señales aparecen como una detección de coincidencia (de la desintegración de positrones y la captura de neutrones) con cierto retraso entre ellas, lo que permite discriminar muchas señales de fondo, como como interacciones de muones, lo que produce datos de alta resolución. La colaboración Borexino afirma que la principal fuente de fondo residual proviene de los neutrinos electrónicos producidos por los reactores nucleares europeos. [38]
Vistos desde el espectro de neutrinos, los picos azules representan aquellos antineutrinos que provienen del interior de la Tierra. Se ve que solo aparecen dos picos que corresponden a 238 U (segundo pico pequeño) y 232 Th (primer pico grande) y no hay presencia de antineutrinos que se originan en la desintegración beta de 40 K. Esto se debe al umbral de energía. del detector Borexino que es de 1,806 MeV, siendo demasiado alta para activar la detección de aquellos antineutrinos producidos por la desintegración de 40 K a 1,32 MeV. [1] [38] A partir de este gráfico, también es posible determinar las abundancias de cada elemento presente en la corteza simplemente extrapolando cuántos eventos ocurren y en qué energías. Con base en los datos de este caso, fue posible determinar el flujo de antineutrinos de 238 U y 232 Th as y respectivamente. [38]
Para obtener un espectro de las diversas fuentes de neutrinos de fondo se toman varias precauciones en el diseño experimental y el análisis de datos, además de utilizar técnicas de detección de coincidencias. En primer lugar, para reducir por completo la detección de fondo, la carcasa de nailon está destinada a bloquear las señales de fondo de la desintegración del 222 Rn y otros productos en su cadena de desintegración que están presentes en cantidades mínimas dentro de los materiales del experimento que quedaron del proceso de producción. [1] La desgasificación de estos isótopos radiactivos y su posterior desintegración beta provocarían una detección falsa de un neutrino solar.
Se observó que las fluctuaciones de temperatura debido a la variabilidad estacional y la actividad humana crearon convección dentro de la cámara de centelleo, lo que finalmente cambió la tasa de desgasificación de 210 Po de una manera impredecible. Para aliviar esto, a finales de 2015 se envolvió aislamiento térmico alrededor del detector para mantener mejor una temperatura interna estable. [2] Además, a principios de 2016, se instaló un sistema de control de temperatura debajo de la carcasa principal en contacto con la roca que permanecería a temperaturas frías. Esto actuaría como un disipador de calor, eliminando la energía térmica dentro y alrededor del detector, reduciendo aún más la variabilidad de la temperatura. [2]
El experimento SOX [39] tenía como objetivo la confirmación completa o la refutación clara de las llamadas anomalías de neutrinos , un conjunto de evidencias circunstanciales de desaparición de neutrinos electrónicos observadas en LSND , MiniBooNE , con reactores nucleares y con detectores de neutrinos solares de galio ( GALLEX) . /GNO , SABIO ). Si tiene éxito, SOX demostraría la existencia de componentes de neutrinos estériles y abriría una nueva era en la cosmología y la física de partículas fundamentales. Una señal sólida significaría el descubrimiento de las primeras partículas más allá del Modelo Electrodébil Estándar y tendría profundas implicaciones en nuestra comprensión del Universo y de la física de partículas fundamentales. En caso de un resultado negativo, podría cerrar un debate de larga data sobre la realidad de las anomalías de los neutrinos, probaría la existencia de nueva física en las interacciones de neutrinos de baja energía, proporcionaría una medición del momento magnético de los neutrinos, el ángulo de Weinberg. y otros parámetros físicos básicos; y produciría una excelente calibración energética para Borexino, que será muy beneficiosa para futuras mediciones de neutrinos solares de alta precisión.
Se imaginó que SOX utilizaría un generador de antineutrino potente (≈150 kCi) e innovador hecho de Ce-144 / Pr-144 y posiblemente un generador de neutrinos Cr-51 posterior , lo que requeriría una campaña de toma de datos mucho más corta. Estos generadores estarían ubicados a poca distancia (8,5 m) del detector Borexino -debajo de él, de hecho: en un foso construido ex-profeso antes de la construcción del detector, con la idea de que pudiera ser utilizado para la inserción de este tipo de fuentes radiactivas. - y produciría decenas de miles de interacciones limpias de neutrinos en el volumen interno del detector Borexino. Se llevaría a cabo una campaña de calorimetría doble de alta precisión (<1% de incertidumbre) antes del despliegue en el pozo, al final de la toma de datos y posiblemente en algún momento durante la ejecución experimental, para proporcionar una medición precisa independiente de la actividad de la fuente, con el fin de realizar un análisis de baja tasa de incertidumbre. También se han desarrollado análisis de la forma de la señal del antineutrino de la fuente para aumentar la sensibilidad del experimento, cubriendo todo el espacio de fase de "anomalía" de alto significado que aún queda donde podrían encontrarse los neutrinos ligeros estériles.
Se esperaba que el experimento comenzara en la primera mitad de 2018 y tomara datos de unos dos años. En octubre de 2017, se llevó a cabo con éxito una prueba de transporte "en blanco" (sin material radiactivo) de extremo a extremo en el sitio de Borexino en GNL, [40] con el fin de obtener los permisos regulatorios finales para el inicio del experimento, antes de la llegada de la fuente. La fuente de óxido de cerio ( ceria o CeO 2 ) para el generador de antineutrinos de CeSOX tenía que ser fabricada por Mayak PA , pero a finales de 2017 se revelaron problemas técnicos durante la fabricación. Estos problemas significaron que el generador no podría proporcionar la cantidad necesaria de antineutrinos, [41] por un factor de 3, y provocó una revisión del proyecto y su eventual fecha de inicio. A principios de febrero de 2018, el proyecto CeSOX fue cancelado oficialmente por CEA e INFN debido al problema de producción de fuentes radiactivas, [42] y los objetivos de Borexino para 2018-19 se reorientaron hacia lograr una mayor estabilidad del detector y, con ello, una mayor radiopureza, con el fin de impulsar resultados de neutrinos solares de mayor precisión, con especial énfasis en los neutrinos CNO.
Medios relacionados con Borexino en Wikimedia Commons42°28′N 13°34′E / 42,46°N 13,57°E / 42,46; 13.57
