Física underground

de neutrinos, aula 2

SNO: detector,

calibrações e

resultados

José Maneira (LIP-Lisboa)José Maneira (LIP-Lisboa)Física Experimental (de Partículas)Física Experimental (de Partículas)Mestrado/Doutoramento em Física, FCULMestrado/Doutoramento em Física, FCULLIP – 20 de Dezembro de 2006LIP – 20 de Dezembro de 2006

Sumário

1. SNO• Descrição do detector• Princípio de funcionamento

2. A calibração como charneira do método experimental:

• Calibração óptica• N-16: Energia, Posição, Direcção e

Isotropia• Eficiência para a detecção de neutrões

3. Resultados

1.1) Descrição do detector

Sudbury Neutrino Observatory

Camada H2O interna: 1700 ton

D2O (água pesada) : 1000 ton

Camada H2O externa: 5300 ton

Esfera de Acrílico: diâm. 12 m

Estrutura de suporte para 9500 PMTs

Liner de Urylon: selagem Rádon

Mina de níquel em

Creighton (INCO)

Em plena actividade • 10% da produção

mundial

Paisagem no Inverno

Sudbury,

(Onde é que isso fica?)

2 km na vertical 2 km na

horizontal Lá em baixo, um dos laboratórios mais “limpos” do mundo• Sistema de

purificação da água

Antigamente...

Desde 2005!!

O recipiente de acrílico Elemento fundamental

• Boa transparência no UV • Painéis de 5 cm colados• Suportado por cordas

Os PMTs Hamamatsu 20 cm Reflectores para

aumentar aceitância Montados em

estrutura geodésica em painéis planos 55% cobertura

Sistemas de purificação Purificação da água

• Sistema circuito fechado para água pesada• Circuito aberto (sem retorno) para água leve• Vários níveis de filtragem• Osmose inversa

Controlo• Medição dos

níveis de U-238, Th-232 e Rn-222

• Água é circulada em “traps” de MnOx e HtiO

• Contagem gama dos núcleos “apanhados”

Sistemas de calibração 4 cordas presas ao AV permitem movimentar

fontes fora do eixo vertical com sistema de roldanas

Inserção através de uma “glovebox” para minimizar a introdução de Rádon

1.2) Princípio de funcionamento

Reacções de Neutrinos em SNO

NC

ES

apenas e

Sensível à energia

CC e + d → p + p + e-

x + d → x + p + n

x + e- → x + e-

mesma secção eficaz p/ os 3 saboresMedição do fluxo total de neutrinos 8B

Secção eficaz maior para e do que para x

baixa estatísticaForte direccionalidade

nene

Phase II (salt)

July 01 - Sep. 03

Phase III(3He)Nov. 04-Dec. 06

Phase I (D2O)Nov. 99 - May 01

3 neutron detection methods

n captures on deuterium

= 0.0005 b

6.25 MeV

n captures in 3He in proport. counter array

= 5330 b

0.764 MeV

n captures on chlorine

= 44 b

8.6 MeV multiple ’s

γγ

γ

35Cl 36Cl

36Cl*

nγ

2H 3H

3H*

n

n + 3He p + 3H

p3H

5 cm

n

3He

PRL 92, 181301, 2004(for first 254 days) nucl-ex/0502021391-DAY RESULTS!

PRL 87, 071301, 2001PRL 89, 011301, 2002PRL 89, 011302, 2002

Observáveis

Medições com os PMTs

-posiçãoposição-tempotempo-cargacarga

Evento reconstruído-vérticevértice-direcçãodirecção-energiaenergia-isotropiaisotropia

Calibration

Source deployment • XZ and YZ planes in D2O• Vertical axes in H2O

OpticsOpticsEnergyEnergyReconstructionReconstructionNeutron Neutron CaptureCaptureBackgroundsBackgroundsSourcesSources

Laser 337 to 620 nm16N 6.13 MeV ’s3H(p,)4He 19.8 MeV ’s8Li e- 8B spectrum252Cf neutronsU/Th 214Bi & 208Tl ’sMonte CarloMonte Carlo

Not to scale

2.1) Calibração óptica

Calibração óptica: para quê? Distância média percorrida na água

pesada por um fotão emitido isotropicamente:• No centro: RAV= 600 cm• A 500 cm do centro = 430 cm

Considerando comprimento de atenuação 50 m, a diferença de intensidade recolhida nos PMTs é de 3.5%• E além disso a emissão Cherenkov não

é isotrópica... É preciso corrigir o número de fotões

detectados em função da posição e direcção com um modelo óptico• Atenuação da água pesada, leve e

acrílico• Resposta angular dos PMTs

Hardware da calibração óptica “Laserball”

• Molho de fibras• Fibra rígida• Esferinhas de

vidro em supensão em silicone

• Esfera de quartzo

“Umbilical”

Laser Laser “caseiro” de azoto: 337 nm Sistema de “dyes” para “sintonizar” o

comprimento de onda: 365,386,420,500,620 nm

Sistema de filtros para ajustar a intensidade

Modelo óptico

Nij ocupância pmtj run i N normalização run i ângulo sólido R resposta angular PMT T factor reflexão

Fresnel L distribuição Laserball eficiência PMT d distância percorrida atenuação do meio

Corte em tempo para remover reflexões

Ocupância é o número de hits na janela 4 ns

Divide-se pela run central para remover eficiências

Ajuste 2 a um “scan”• ~30 runs• ~8500 pmts

Distibuição da fonte Distribuição em função

do ângulo polar Distribuição nos

ângulos polar e azimutal

PMT angular response

Atenuação H2O

D2O AttenuationOptics Atenuações e resposta

angular na fase do sal: Atenuação d2o aumentou

com o tempo, com a concentração de Mn

Implicou um decréscimo da resposta am energia

PMT+ reflectors angular response

H2O attenuation

Optics

~100 m

~20 m

~50 m

Erros sistemáticos Principais

incertezas:• Posição da fonte

oErro de 2 cm =>oErro de 1% no

ângulo sólido a 400 cm de distância

• Selecção de PMTsoCorte na

ocupânciaoCorte no 2

• Distribuição da laserbal

Cálculo dos erros• Repete-se o ajuste

comoPosições “shiftadas”,

“escaladas”oCortes diferentesoLaserball “flat” ou

escalada• Componente do erro

é a diferença entre ajuste nominal e perturbado

• Somam-se quadraticamente, com pesos estimados

2.2) Calibração energia, reconstrução

Calibração N-16

N-16: quase puro 6.13 MeV Vida média curta (7.13 s), é produzido in-

situ expondo C02 a um fluxo intenso de neutrões

Fonte com cintilador/PMT: “trigger” com beta

Fonte ideal seria• Beta, energia > 5

MeV Mas as perdas na

parede da fonte tornam a energia efectiva mal conhecida, dependente de correcções

Alternativa• Fonte gama• Extrapolação Monte

Carlo para electrões

PMT

Câmara de decaimento

Cintilador

En

erg

y re

spon

se

(MeV

)Energy Response (I)

Energy determination• Position dependence

from optical calibration• Absolute scale and

systematics from 16N source

• Response to electrons determined from MC simulations

Degradation of energy response• Measured D2O

attenuation matches drop

• Reproducible by Monte-Carlo

Nu

mb

er

of

hit

PM

Ts

at

cen

ter

3%

Energy Response (II) Main systematics

• Source modelling• Detector disuniformity• Radial bias (0.45%)

Total systematics• Scale: 1.15%• Resolution: 3.4%

= (R/RAV)3

Data

/MC

Erros sistemáticos na energia

Define an “isotropy parameter” based on Legendre polynomials in θij

3. Multiple gammas for NC means light is more isotropic than for CC, ES

ij

4114 4

)(cos

jiijll P

Statistical separation of CC, NC events with no constraint on the CC spectrum shape

Isotropy

Reconstruction uncertainties

Angle ~16%

14 mean 0.85%

14 width 0.94%

Position x 2 cm

Position z 6 cm

Backgrounds (I: In-situ analysis)

D2O radioactivity• Use isotropy to

distinguish between 208Tl (Th chain) and 214Bi (U chain)

Radial fit to external backgrounds

•Radium Assay techniques

•MnOx• HTiO

Backgrounds (II)

Controlled radon spike

2.3) Calibração da eficiência de detecção de neutrões

Eficiência de detecção de neutrões

Neutrão detectado por captura nuclear• Fase 1: em 2H -> 6.25 MeV• Fase 2: em 35Cl -> 8.6 MeV

Mas, se escapar do volume de d2o, o neutrão será capturado pelos protões livres da água leve -> 2.2 MeV -> abaixo do limiar!

γ

2H 3H

3H*

n

γγ

γ

35Cl 36Cl

36Cl*

n

Calibração com Califórnio Necessário medir a eficiência

em função da posição Fonte Cf-252

• Actividade medida a ±0.5% com detectores de Silício

• Fissão espontânea• Emissão de neutrões múltiplos• Pequena contaminação de

betas/gamasoCorrigida através da

distribuição radial de eventos

oGamas interagem muito perto da fonte

oNeutrões viajam longe em d2o

oUsam-se apenas eventos acima de 80 cm

Radius (cm)

Distribuição radial Eficiência em função da

posição da fonte• Diminui fortemente mais

longe do centro• Captura no sal mais

eficiente => mais uniforme

Para calcular sistemáticos

Sistemáticos para NC Neutrões NC são

distribuídos uniformemente• Não temos fontes

de calibração uniformes

• Pdf Monte Carlo

3.0) Método de extracção do sinal

Signal Extraction PDFs

20

Kinetic Energy

Direction Position

Isotropy

Correlated Parameters

14E (MeV)

electrons

• 2-D pdf P(Teff,14).P(cos).P(R3) in flux analysis

• 3-D pdf P(Teff,14, R3).P(cos/Teff, R3) in spectrum analysis

• Take energy-isotropy correlation into account in maximum likelihood fit

3) Resultados

r<550cm, Teff>5.5MeVExternal neutrons: 128 ± 42Backgrounds fixed in fit: 129

CC 2176 ± 78

ES 279 ± 26

NC 2010 ± 85#EV

EN

TS

Full salt phase results!

)()(.

)()(.

)()(.

.

...

.

...

.

...

syst.stat. 352

syst.stat. 944

syst.stat. 681

150150

220220ES

380340

210210NC

080090

060060CC

)scm10 of units (In 126

029.0031.0)stat.(023.0340.0

NC

CC

Salt phase fluxes

Agreement with previous results with better accuracy

Confirmed• Flavor

transformation• Solar model 8B

flux

Charged Current Spectrum

Predicted LMA spectral distortion

Elastic Scattering Spectrum

ACC= -0.037 ± 0.063(stat.) ±0.032(syst.)

AES= 0.153 ± 0.198(stat.) ±0.030(syst.)

Constraining ANC to be zero:

In the pure-D2O phase,

(shape constrained, ANC constrained)

013.0012.0e 049.0070.0A

Combine with analogous ACC from the salt phase:

Convert Super-Kamiokande AES to Ae, and combine with SNO:

040.0037.0A OD salt 2

027.0035.0A SK SNO

Day-Night Assimetries

DNDN2

A)(

Global MSW analysis of solar and reactor neutrino data

--90%--95%--99%--99.73%

Global Solar,

with full salt

results

Global Solar + KamLAND 766 ton-year

data

deg.

...

..

4222

256040

2

933

eV1008m