Détection des neutrinos solaires avec Borexino

1. Détection des neutrinos solaires avec Borexino Projet de détection - APC • Plan : • Neutrinos solaires et le détecteur Borexino • Contraintes techniques et bruit de fond • Acquisition et reconstruction • Rejet de bruit de fond Bongrand Mathieu Rotival Vincent Master 2 Physique Fondamentale et Appliquée Spécialité NPAC

2. Principe de détection On détecte les neutrinos solaires par diffusion élastique : v + e- → v + e- Dans Borexino on s’intéresse plus particulièrement à la raie du 7Be : L’électron de recul est détecté par scintillation. Borexino « Front Compton » mesuré 862 MeV

3. Le détecteur Borexino Un détecteur en temps réel qui devrait être rempli l’an prochain Le détecteur est situé dans le Laboratoire Souterrain du Gran-Sasso (LNGS) eau Buffer = PC + DMP 2 200 PM intérieurs Scintillateur : PC + PPO 300 t / 100 t fiduciel 200 PM veto 2 sphères de nylon séparent les différentes zones : • une pour le radon Rn • une pour séparer le • buffer et le scintillateur 13.7 m

4. Bruit de fond de l’expérience Borexino fait partie des expériences d’événements rare, un soin tout particulier doit donc être apporté aux bruits de fond • rayons cosmiques + veto muons • photons (effet Compton) Blindages (acier et eau), buffer et fiduciel réduit + • neutrons émis par la roche • radon • radioactivité des matériaux • 238U, 232Th et 40K • radioactivité du scintillateur • 14C, impuretés Des contraintes de radiopureté très fortes ont été imposées Impose le seuil de détection La plus grande difficulté pour Borexino est la purification du scintillateur et sa stabilité

5. Counting Test Facility (CTF) Afin d’étudier la faisabilité technique de l’expérience un prototype a été construit. Il a commencé à fonctionner en 1996 et a déjà effectué plusieurs runs. Il est également situé dans le LNGS • 5 t de scintillateur • 100 PM intérieurs • 16 PM veto Un système de purification en ligne permet d’assurer la stabilité de la pureté du scintillateur. CTF a démontré la faisabilité technique d’une telle purification du PC. Il servira désormais à tester la pureté du scintillateur pour le remplissage de Borexino.

6. Principe d’acquisition La mesure de la raie du Béryllium est possible par la détermination du spectre en énergie de l’électron de recul 1843 photomultiplicateurs permettent de détecter les photons de scintillation produits par le parcours de cet électron de recul dans le volume cible Un système d’acquisition VME Flash-ADC permet alors : Couverture en angle solide : 50% du volume cible grâce à des collecteurs de lumière • D’assurer un système de déclenchement online, basé sur le nombre de PMT illuminés dans une fenêtre de coïncidence (50 ns) • La numérisation des signaux de chaque PMT, avec une résolution temporelle de 200 ps

7. En tenant compte : • De la diffusion de la lumière dans le milieu, sa réfraction et réflexion… • De la couverture des PMT et leur efficacité quantique • … Principe de la reconstruction d’évènements Au passage d’un électron dans le volume cible, l’électronique d’acquisition enregistre les informations lues par chaque PMT Ces informations sont représentées dans l’espace (θ,φ,δt) Le vertex de diffusion est alors reconstruit par méthode du maximum likehood Une lookup table (NPMT,r) permet alors d’obtenir l’énergie de l’électron Obtenue par des simulations Permet le calcul de la résolution expérimentale en énergie

8. Le véto muons Les muons cosmiques constituent le bruit de fond majoritaire dans Borexino Environ 0.023 Hz (CTF) Deux méthodes de réjection des évènements muons 1- Trigger online, qui utilise l’enceinte de blindage d’eau qui entoure le détecteur 2- Trigger offline, qui utilise les propriétés du rayonnement Čerenkov Pattern différent pour des évènements Čerenkov et des électrons 208 PMT tournés vers l’extérieur détectent la lumière Čerenkov émise par un muon cosmique e- e- μ μ Le système d’acquisition est inhibé en cas de détection d’un évènement Čerenkov Une reconnaissance de forme permet une réjection supplémentaire Efficacité de 99,99%

9. Rejet des évènements α Repose sur l’existence d’une composante à temps long dans la réponse du scintillateur pour les évènements α Introduction d’un paramètre discriminant : le rapport charge avant sur charge totale Le paramètre tth optimal est déterminé par des simulations pour assurer une discrimination maximale Efficacité de discrimination de 99.85%

10. Conclusion • Nous avons vu le soin apporté à la réalisation de l’expérience • Les systèmes d’acquisition et de reconstruction • Un grande connaissance des bruits de fond réduis au maximum • Des méthodes de rejet qui permettent de réduire les bruits de fond • CTF a démontré la faisabilité technique de Borexino • Le remplissage de Borexino est en cours d’autorisation