Física underground de neutrinos, aula 2 SNO: detector, calibrações e resultados José Maneira (LIP-Lisboa) Física Experimental (de Partículas) Mestrado/Doutoramento.

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2 Física underground de neutrinos, aula 2 SNO: detector, calibrações e resultados José Maneira (LIP-Lisboa) Física Experimental (de Partículas) Mestrado/Doutoramento em Física, FCUL LIP – 20 de Dezembro de 2006

3 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

4 1.1) Descrição do detector

5 Sudbury Neutrino Observatory Camada H 2 O interna: 1700 ton D 2 O (água pesada) : 1000 ton Camada H 2 O externa: 5300 ton Esfera de Acrílico: diâm. 12 m Estrutura de suporte para 9500 PMTs Liner de Urylon: selagem Rádon

6 Mina de níquel em Creighton (INCO) Em plena actividade 10% da produção mundial Paisagem no Inverno Sudbury, (Onde é que isso fica?)

7 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!!

8 O recipiente de acrílico Elemento fundamental Boa transparência no UV Painéis de 5 cm colados Suportado por cordas

9 Os PMTs Hamamatsu 20 cm Reflectores para aumentar aceitância Montados em estrutura geodésica em painéis planos 55% cobertura

10 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

11 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

12 1.2) Princípio de funcionamento

13 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 sabores Medição do fluxo total de neutrinos 8 B Secção eficaz maior para e do que para x baixa estatística Forte direccionalidade ne

14 Phase II (salt) July 01 - Sep. 03 Phase III( 3 He) Nov. 04-Dec. 06 Phase I (D 2 O) Nov. 99 - May 01 3 neutron detection methods n captures on deuterium = 0.0005 b 6.25 MeV n captures in 3 He in proport. counter array = 5330 b 0.764 MeV n captures on chlorine = 44 b 8.6 MeV multiple s γ γ γ 35 Cl 36 Cl 36 Cl * n γ 2H2H 3H3H 3 H* n n + 3 He p + 3 H p 3H3H 5 cm n 3 He PRL 92, 181301, 2004 (for first 254 days) nucl-ex/0502021 391-DAY RESULTS! PRL 87, 071301, 2001 PRL 89, 011301, 2002 PRL 89, 011302, 2002

15 Observáveis Medições com os PMTs -posição -tempo -carga Evento reconstruído -vértice -direcção -energia -isotropia

16 Calibration Source deployment XZ and YZ planes in D 2 O Vertical axes in H 2 O OpticsEnergyReconstruction Neutron Capture Backgrounds Sources Laser 337 to 620 nm 16 N 6.13 MeV s 3 H(p, ) 4 He 19.8 MeV s 8 Li e - 8 B spectrum 252 Cf neutrons U/Th 214 Bi & 208 Tl s Monte Carlo Not to scale

17 2.1) Calibração óptica

18 Calibração óptica: para quê? Distância média percorrida na água pesada por um fotão emitido isotropicamente: No centro: R AV = 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

19 Hardware da calibração óptica Laserball Molho de fibras Fibra rígida Esferinhas de vidro em supensão em silicone Esfera de quartzo Umbilical

20 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

21 Modelo óptico N ij 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

22 Distibuição da fonte Distribuição em função do ângulo polar Distribuição nos ângulos polar e azimutal

23 PMT angular response Atenuação H 2 O D 2 O Attenuation Optics 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 H 2 O attenuation Optics ~100 m ~20 m ~50 m

24 Erros sistemáticos Principais incertezas: Posição da fonte oErro de 2 cm => oErro de 1% no ângulo sólido a 400 cm de distância Selecção de PMTs oCorte na ocupância oCorte no 2 Distribuição da laserbal Cálculo dos erros Repete-se o ajuste com oPosições shiftadas, escaladas oCortes diferentes oLaserball flat ou escalada Componente do erro é a diferença entre ajuste nominal e perturbado Somam-se quadraticamente, com pesos estimados

25 2.2) Calibração energia, reconstrução

26 Calibração N-16 N-16: quase puro 6.13 MeV Vida média curta (7.13 s), é produzido in- situ expondo C0 2 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

27 Energy response (MeV) Energy Response (I) Energy determination Position dependence from optical calibration Absolute scale and systematics from 16 N source Response to electrons determined from MC simulations Degradation of energy response Measured D 2 O attenuation matches drop Reproducible by Monte- Carlo Number of hit PMTs at center 3%

28 Energy Response (II) Main systematics Source modelling Detector disuniformity Radial bias (0.45%) Total systematics Scale: 1.15% Resolution: 3.4% = (R/R AV ) 3 Data/MC

29 Erros sistemáticos na energia

30 Define an isotropy parameter based on Legendre polynomials in θ ij 3. Multiple gammas for NC means light is more isotropic than for CC, ES ij Statistical separation of CC, NC events with no constraint on the CC spectrum shape Isotropy

31 Reconstruction uncertainties Angle ~16% 14 mean 0.85% 14 width 0.94% Position x 2 cm Position z 6 cm

32 Backgrounds (I: In-situ analysis) D 2 O radioactivity Use isotropy to distinguish between 208 Tl (Th chain) and 214 Bi (U chain) Radial fit to external backgrounds

33 Radium Assay techniques MnOx HTiO Backgrounds (II) Controlled radon spike

34 2.3) Calibração da eficiência de detecção de neutrões

35 Eficiência de detecção de neutrões Neutrão detectado por captura nuclear Fase 1: em 2 H -> 6.25 MeV Fase 2: em 35 Cl -> 8.6 MeV Mas, se escapar do volume de d 2 o, o neutrão será capturado pelos protões livres da água leve -> 2.2 MeV -> abaixo do limiar! γ 2H2H 3H3H 3 H* n γ γ γ 35 Cl 36 Cl 36 Cl * n

36 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/gamas oCorrigida 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)

37 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

38 Sistemáticos para NC Neutrões NC são distribuídos uniformemente Não temos fontes de calibração uniformes Pdf Monte Carlo

39 3.0) Método de extracção do sinal

40 Signal Extraction PDFs 20 Kinetic Energy Direction Position Isotropy

41 Correlated Parameters 14 E (MeV) electrons 2-D pdf P (T eff, 14 ). P (cos ). P (R 3 ) in flux analysis 3-D pdf P (T eff, 14, R 3 ). P (cos /T eff, R 3 ) in spectrum analysis Take energy-isotropy correlation into account in maximum likelihood fit

42 3) Resultados

43 r 5.5MeV E xternal neutrons: 128 ± 42 Backgrounds fixed in fit: 129 CC 2176 ± 78 ES 279 ± 26 NC2010 ± 85 #EVENTS Full salt phase results!

44 Salt phase fluxes Agreement with previous results with better accuracy Confirmed Flavor transformation Solar model 8 B flux

45 Charged Current Spectrum

46 Predicted LMA spectral distortion

47 Elastic Scattering Spectrum

48 A CC = -0.037 ± 0.063(stat.) ±0.032(syst.) A ES = 0.153 ± 0.198(stat.) ±0.030(syst.) Constraining A NC to be zero: In the pure-D2O phase, (shape constrained, A NC constrained) Combine with analogous A CC from the salt phase: Convert Super-Kamiokande A ES to A e, and combine with SNO: Day-Night Assimetries

49 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