Borexino

Borexino ist ein Flüssigszintillator-Detektor spezialisiert auf den Nachweis von niederenergetischen Neutrinos. Insbesondere auf dem Gebiet der solaren Neutrinos hat das Experiment bis heute herausragende Resultate erzielt. Diese umfassen nicht nur die Bestätigung des Standard-Sonnenmodells nach Bahcall sondern auch die Untersuchung des Übergangsbereichs zwischen Materie- und Vakuum-dominierten Neutrino-Oszillationen. Darüber hinaus konnte Borexino Antineutrinos aus dem Zerfall von radioaktiven Isotopen aus der Erde sowie Kernreaktoren nachweisen.
Der Borexino-Detektor befindet sich am LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) Untergrundlabor in Mittelitalien. Die Abschirmung der dort bis zu knapp 3.000 m aufsteigenden Abruzzen bewirkt eine signifikante Reduktion des Untergrunds durch kosmische Strahlung, insbesondere durch atmosphärischer Myonen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung zum Nachweis von Teilchen mit extrem niedriger Zählrate, insbesondere von Neutrinos.

 

Abbildung 4: Schematischer Aufbau des Borexino-Detektors

Das Borexino-Experiment unterteilt sich in einen inneren und einen äußeren Detektor: Der innere Detektor enthält das Flüssigzintillatortarget zum Nachweis der Neutrinos. Der Szinitllator basiert auf dem organischen Lösungsmittel Pseudocumol und wird durch zwei sphärische Nylonballons weiter unterteilt, um radioaktive Kontamination durch Konvektion und Diffusion zu verhindern. Das zentrale Volumen beinhaltet 280 t hochreinen Szintillator, wobei nur die innersten 100 t zur Detektion von solaren Neutrinos verwendet werden. Die umgebenden äußeren Volumina (engl. Buffer) sind inaktiv und dienen der Abschirmung vor externer radioaktiver Strahlung. Sie werden von einer Stahlkugel mit fast 14 Meter Durchmesser umfasst. Auf deren Innenseite sind 2200 Photosensoren (PMTs) installiert, diem das von Neutrinowechselwirkungen erzeugte Szintillationslicht nachweisen.
Der äußere Detektor dient als passive Abschirmung gegen externe Radioaktivität, die ihren Ursprung im umgebenden Fels hat, sowie als aktives Veto gegen atmosphärische Myonen. Der Wasser Cherenkov-Detektor besteht aus 2400 Tonnen hochreinem Wasser und ist ausgestattet mit 208 Photomultipliern (PMTs).

Solare Neutrinos

In der Sonne läuft die Fusion von Wasserstoff zu Helium hauptsächlich über die in Abb. 5 gezeigten Proton-Proton-Kette ab. Die Messung der dabei erzeugten Neutrinos liegt im Zentrum des Interesses des Borexino-Experiments. Dank seiner hohen Energieauflösung, niedrigen Energieschwelle und minimalen radioaktiven Verunreinigungen können die Beiträge einzelner Reaktionen in der pp-Kette zum gesamten solaren Neutrinospektrum aufgelöst werden. Diese spektroskopische Messung erlaubt darüber hinaus die Untersuchung der Energieabhängigkeit der Oszillationswahrscheinlicheit, insbesondere im Übergangsbereich von Vakuum- zu materiedominierten Oszillationen (Abbildung 7).

Fig. 5: Solare pp-Kette für die Fusion von Wasserstoff zu Helium.

Die Elektron-Neutrinos, die in der Sonne produziert werden, werden in Borexino durch elastische Neutrino-Elektron-Streuung gemessen. Der Rückstoss des Elektrons erzeugt Szintillationslicht. Aus der Anzahl der von den PMTs nachgewiesenen Photonen kann auf die Energie des Teilchens zurückgeschlossen werden.
Die Berillium-7 Neutrinos waren die ersten, die mit dem Borexino-Detektor beobachtet wurden [http://arxiv.org/abs/1104]. Da sie monoenergetisch sind (862 keV), erzeugen sie eine „Schulter“ im Elektron-Rückstoßspektrum (siehe Abbildung 6). In Übereinstimmung mit dem gängigen MSW-LMA Modell misst Borexino eine Rate von 46 ±3 pro Tag und 100 Tonnen.

 

 
Abb. 6: Fit an das in Borexino gemessene Signal von Be-7 Neutrinos (inklusive Untergrundbeiträge) Abb. 7: Übergang von materie- zu vakuumdominierten Neutrinooszillationen, gemessen mit dem Borexino-Detektor sowie älteren Messungen

Darüber hinaus konnte Borexino eine erste Messung des pep-Neutrinoflusses sowie des niederenergetischen Bereich des Bor-8 Neutrinospektrums unterhalb von 5 MeV vornehmen. Die gemessenen Raten entsprechen den Vorhersagen von Standardsonnenmodell und MSW-LMA Oszillationen (Abb. 7).

Im August 2014 gelang Borexino der erste direkte Nachweis der pp-Neutrinos. Diese stammen aus der fundamentalen, ersten Reaktion der pp-Kette, bei denen zwei Protonen zu einem Deuteron verschmelzen (vgl. Abb. 5). Aufgrund der niedrigen Energie der pp-Neutrinos gestaltete sich ihr Nachweis besonders schwierig. Ermöglicht wurde er durch eine genauen Analyse des Untergrunds durch den Zerfall von Kohlenstoff-14 (inklusive Pile-up) und der Reduktion des Untergrunds durch Krypton-85 und Wismut-210 durch ein weitere Reinigung des Szintillators. Die gemessene Rate stimmt gut mit der Erwartung überein und bestätigt einmal mehr das Standardsonnenmodell und die MSW-LMA Lösung für solare Neutrinooszillationen.

Geoneutrinos

Als Geoneutrinos werden Elektron-Antineutrinos bezeichnet, die bei β-Zerfällen der Zerfallsketten von Uran und Thorium beziehungsweise Kalium-40 in der Erde entstehen. In Borexino werden diese Neutrinos über den inversen β-Zerfall am Proton detektiert:


Da die Schwelle für diese Reaktion bei 1,8 MeV liegt, lassen sich nur Antineutrinos aus den U/Th Zerfallsketten nachweisen. Die eindeutige Signatur des inversen β-Zerfalls erlaubt eine sehr effektive Unterdrückung von Untergrund: Während das Positron prompt annihiliert, erfolgt der Einfangs des Neutrons an einem freien Proton im Szintillator unter Emission eines 2.2 MeV Gammaquants nach etwa 250 µs.


Abbildung 8 zeigt das von Borexino über den inversen β-Zerfall gemessene Antineutrino-Spektrum. Der Beitrag von Geoneutrinos kann vom Untergrund durch Reaktorneutrinos anhand der stark unterschiedlichen spektralen Form getrennt werden. In 1353 Tagen effektiver Messdauer, wurden in Borexino 14.3 ± 4.4 Ereignisse von Geoneutrinos detektiert. Der daraus resultierende Fluss von Geoneutrinos ist kompatibel mit dem gängigen „Bulk Silicate Earth“-Modell.

 

Abb. 8: Antineutrinospektrum von Borexino. Das Gesamtsignal setzt sich aus Beiträgen von Geoneutrinos (gelb) und Reaktorneutrinos( orange) zusammen. 500 p.e. entsprechen 1 MeV sichtbarer Energie des prompten Ereignisses.

Zukünftiges Programm von Borexino

  • CNO Neutrinos: Als CNO Neutrinos werden jene Neutrinos bezeichnet, die in der katalytischen Erzeugung von Helium aus Wasserstoffe an Kohlenstoff entstehen. In der Sonne trägt dieser Prozess nur etwa 1% zum gesamten Energieumsatz durch Fusion bei, während er in schwereren Sternen dominiert. Die CNO Fusionsrate ist darüberhinaus sehr sensitiv auf den Anteil schwerer Elemente (Metalle) im Sonneninneren.
  • Sterile Neutrinos - see SOX

Liste der Publikationen:

Borexino coll., „Neutrinos from the primary proton-proton fusion process in the Sun“, Nature 512 (2014) 7515, 383-386
Borexino coll., „Measurement of geo-neutrinos from 1353 days of Borexino“, Phys. Lett. B722 (2013) 295-300
Borexino coll., „Precision measurement of the solar 7Be neutrino interaction rate in Borexino“, Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 141302
Borexino coll., „First evidence of pep solar neutrinos by direct detection in Borexino“, Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 051302
Borexino coll., „Measurement of the solar 8B neutrino rate with a liquid scintillator target and 3 MeV energy threshold in the Borexino detector“, Phys. Rev. D82 (2010) 033006
Borexino coll., „The Borexino detector at the Laboratori Nazionali del Gran Sasso“, NIM A600 (2009) 568-593