Détection des neutrinos solaires avec Borexino

Projet de détection - APC

Bongrand MathieuRotival Vincent

Plan :

• Neutrinos solaires et le détecteur Borexino

• Contraintes techniques et bruit de fond

• Acquisition et reconstruction

• Rejet de bruit de fond

Master 2 Physique Fondamentale et AppliquéeSpécialité NPAC

Principe de détection

On détecte les neutrinos solaires par diffusion élastique :

Dans Borexino on s’intéresse plus particulièrement à la raie du 7Be :

862 MeV

« Front Compton »mesuré

v + e- → v + e-

L’électron de recul est détecté par scintillation.

Borexino

Le détecteur Borexino

Scintillateur :PC + PPO

300 t / 100 t fiduciel

2 sphères de nylon séparent les différentes zones :

Le détecteur est situé dans le Laboratoire Souterrain du Gran-Sasso (LNGS)

• une pour le radon Rn

• une pour séparer le buffer et le scintillateur

Buffer = PC + DMPeau

2 200 PM intérieurs

200 PM veto

Un détecteur en temps réel qui devrait être rempli l’an prochain

13.7 m

Bruit de fond de l’expérience

• photons (effet Compton)

Borexino fait partie des expériences d’événements rare, un soin tout particulier doit donc être apporté aux bruits de fond

Blindages (acier et eau), buffer et fiduciel réduit+

Des contraintes de radiopureté très fortes ont été imposées

La plus grande difficulté pour Borexino est la purification du scintillateur et sa stabilité

+ veto muons• rayons cosmiques

• radioactivité du scintillateur14C, impuretés

• neutrons émis par la roche

• radon

• radioactivité des matériaux238U, 232Th et 40K

Impose le seuil de détection

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.

• 5 t de scintillateur

• 100 PM intérieurs

• 16 PM veto

Il est également situé dans le LNGS

Il servira désormais à tester la pureté du scintillateur pour le remplissage de Borexino.

CTF a démontré la faisabilité technique d’une telle purification du PC.

Un système de purification en ligne permet d’assurer la stabilité de la pureté du scintillateur.

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

Couverture en angle solide : 50% du volume cible grâce à des collecteurs de lumière

Un système d’acquisition VME Flash-ADC permet alors :

•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

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

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•…

Permet le calcul de la résolution expérimentale en énergie

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

208 PMT tournés vers l’extérieur détectent la lumière Čerenkov émise par un muon cosmique

Le système d’acquisition est inhibé en cas de détection d’un évènement Čerenkov

Efficacité de 99,99%

2- Trigger offline, qui utilise les propriétés du rayonnement Čerenkov

Pattern différent pour des évènements Čerenkov et des électrons

Une reconnaissance de forme permet une réjection supplémentaire

μe- μe-

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%

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