Borexino es un experimento de física de partículas a gran escala que recopiló datos hasta octubre de 2021. Su misión clave era estudiar los neutrinos solares de baja energía (sub-MeV) utilizando el detector Borexino, el calorímetro de centelleo líquido más radio-puro del mundo, ubicado en Laboratori Nazionali del Gran Sasso cerca de Aquila, en Italia.

La Colaboración Borexino, el equipo de investigación que realiza el experimento, reunió recientemente la primera medición experimental de neutrinos solares sub-MeV utilizando un detector de centelleo. Esta medida, presentada en un artículo publicado en Physical Review Letters , podría abrir nuevas posibilidades para la reconstrucción híbrida de eventos de física de partículas usando Cherenkov y firmas de centelleo simultáneamente.

"La idea principal detrás de este trabajo fue recopilar pruebas experimentales de que es posible utilizar la información proporcionada por los fotones de Cherenkov incluso en un detector de centelleo monolítico", dijo a Phys.org Johann Martyn, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. .

Actualmente, existen dos tipos principales de detectores para el estudio de neutrinos, a saber, detectores Cherenkov de agua, como el detector Super-Kamiokande (SNO) y detectores de centelleo líquido, como el detector Borexino. En los detectores Cherenkov de agua, los neutrinos dispersan electrones en el medio. Si estos electrones se mueven más rápido que la velocidad de la luz en el agua, producen radiación de Cherenkov.

"Esta radiación de Cherenkov se emite en un cono alrededor de la dirección de los electrones, lo que permite diferenciar entre los neutrinos solares (que provienen del sol) y el fondo radiactivo (que proviene de cualquier parte del detector)", explicó Martyn. "Sin embargo, dado que el número absoluto de fotones Cherenkov es pequeño (~30 fotones a 3,5 MeV depositaron energía en super-Kamiokande), el umbral de baja energía es relativamente alto en comparación con los detectores de centelleo".

A diferencia de los detectores Cherenkov de agua, los centelleadores líquidos producen muchos más fotones, a través de un proceso conocido como "centelleo". Durante el centelleo, un electrón inducido por neutrinos excita las moléculas del centelleador, que a su vez producen fotones. En Borexino, esto da como resultado la producción de aproximadamente 500 fotones a 1 MeV de energía depositada.

"Esto hace posible investigar neutrinos solares con energías mucho más bajas y, como tal, investigar los canales de producción de fusión de estos neutrinos solares de baja energía", dijo Martyn. "Sin embargo, al mismo tiempo, los fotones de centelleo se emiten de forma isotrópica, lo que significa que no queda información direccional".

Si bien los centelleadores líquidos aún pueden producir fotones a bajas energías, la proporción relativa de estos fotones es tan pequeña que no se puede utilizar para realizar análisis estándar de evento por evento. Por ejemplo, a bajas energías, el detector Borexino produce aproximadamente ~1 fotón Cherenkov por evento de neutrino. En su artículo reciente, Martyn y sus colegas utilizaron un método estadístico para resumir los fotones Cherenkov producidos en todos los eventos de neutrinos registrados por el detector.

"Usando nuestro método, incluso si solo tenemos 1 fotón Cherenkov por evento de neutrino, tenemos alrededor de 10000 eventos de neutrinos en total, lo que nos da también alrededor de 10000 fotones Cherenkov que pueden usarse en los análisis", dijo Martyn. "Esto nos permite combinar la fuerza de ambos tipos de detectores:observar neutrinos de baja energía (activados por la luz de centelleo) pero usar la información direccional de los neutrinos solares para diferenciar las señales relacionadas con eventos de la radiación de fondo".

En sí misma, la medición reciente recopilada por Borexino Collaboration no es particularmente impresionante, especialmente cuando se compara con los análisis convencionales de Borexino basados ​​solo en la luz de centelleo. No obstante, este estudio reciente podría tener implicaciones importantes, ya que demuestra experimentalmente que es posible realizar un análisis de neutrinos híbridos.

"Borexino es un detector de centelleo líquido (LS) con ~280 t de LS en un volumen esférico de 6,5 m de radio y ~2000 tubos fotomultiplicadores (PMT)", explicó Martyn. "Si un neutrino solar interactúa en el centelleador, dispersa un electrón, que a su vez excita las moléculas del centelleador. Estas moléculas luego emiten fotones que son detectados por los PMT".

La cantidad de fotones de centelleo producidos por Borexino depende de la energía del electrón dispersado por los neutrinos solares. Como resultado, los investigadores pueden traducir matemáticamente el número de impactos de protones en los PMT en energía de electrones.

"El problema es que el fondo radiactivo también produce electrones, que de todos modos excitan las moléculas del centelleador", explicó Martyn. "Por lo tanto, el análisis normal de Borexino se realiza observando el espectro de energía detectado de muchos eventos. La fusión de hidrógeno dentro del sol produjo neutrinos con diferentes energías y esto produce un cierto espectro de energía que se ve diferente para los neutrinos solares y para el fondo. Comparando el medido El espectro con el espectro conocido de todos los neutrinos solares posibles y los espectros de fondo radiactivo permiten inferir el número de neutrinos".

El nuevo enfoque estadístico implementado por Martyn y sus colegas fue el núcleo de la exitosa medición híbrida que detectaron. En lugar de observar directamente el espectro de energía, el equipo examinó la distribución de impactos de PMT para muchos eventos de neutrinos, en relación con la posición del sol.

"Como los neutrinos provienen del sol y los electrones se dispersan principalmente en la misma dirección de donde provienen los neutrinos, podemos ver la contribución de los fotones de Cherenkov como un pequeño pico, mientras que los fotones de centelleo y los fondos radiactivos son isotrópicos y producir una distribución plana".

El análisis descrito en el artículo reciente del equipo incluye eventos en un rango de energía entre 0,5 y 0,7 MeV. Este es el rango de energía en el que Martyn y sus colegas esperaban observar el mayor número de neutrinos en proporción a la radiación de fondo.

Todos los eventos que analizaron se registraron durante la primera fase del experimento Borexino, que abarcó de 2007 a 2011. La razón principal de esto es que durante ese tiempo la colaboración tuvo acceso a los datos de calibración, que necesitaban para estimar correctamente la cantidad de neutrinos. interactuando con el centelleador.

De hecho, si bien el equipo mide efectivamente los fotones de Cherenkov, luego deben poder traducir esta medida en la cantidad de eventos de neutrinos. Para hacer esto, necesitan saber la cantidad de fotones Cherenkov que se producirían para cada evento de neutrino, lo cual está relacionado con los datos de calibración.

"Borexino es un entorno muy adverso para contar fotones Cherenkov, ya que nunca se construyó ni se esperaba que realizara tal tarea", dijo Martyn. "Entonces, el logro más notable es que demostramos que la información direccional es accesible incluso en este detector de centelleo monolítico".

En el futuro, la medición recopilada por Borexino Collaboration podría allanar el camino para nuevos experimentos de física de partículas híbridas que combinen las fortalezas de los detectores de centelleo y Cherenkov. Como su resultado es experimental y no se basa únicamente en simulaciones, demuestra claramente la viabilidad de estos experimentos híbridos.

En sus próximos estudios, Martyn y sus colegas planean centrarse en un tipo de neutrinos llamados neutrinos del ciclo CNO. Estos son neutrinos producidos durante el ciclo CNO, un proceso en el que el hidrógeno se fusiona en helio a través de una reacción catalítica entre el carbono, el nitrógeno y el oxígeno.

Se prevé que el ciclo CNO contribuya a aproximadamente el 1% de toda la fusión de hidrógeno en el sol. Los neutrinos producidos durante este proceso, por lo tanto, tienen estadísticas bajas.

"En Borexino, también tenemos el problema del fondo radiactivo del 210Bi, cuyo espectro se parece mucho al espectro de los neutrinos del ciclo CNO", agregó Martyn. "Aunque Borexino es ultra puro en radio, la combinación de las estadísticas bajas de neutrinos y la similitud de los espectros de energía entre la señal y el fondo de 210Bi hacen que el análisis de neutrinos CNO sea un desafío. En uno de nuestros trabajos anteriores, encontramos evidencia experimental de neutrinos producidos en el ciclo de fusión CNO. Como siguiente paso en nuestra investigación, queremos tratar de incluir la información direccional como complemento al análisis estándar en esta región de energía CNO (~0,9 a 1,4 MeV)". + Explora más

El equipo de Borexino demuestra que es posible tener sensibilidad direccional y energética al estudiar neutrinos solares

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