[논문 리뷰] Recent Borexino results and prospects for the near future

D. D’Angelo, G. Bellini외 86명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 30.

Neutrino Physics Research참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 보렉시노 실험의 최근 결과를 제시하며, 7Be 중성미자 신호의 계절적 변동, 개선된 지오-중성미자 통량 측정, 그리고 우주선 배경 연구를 포함한다. 단계 II 프로그램은 pp, pep, CNO 태양 중성미자 통량을 통계적 불확실성 10% 이내로 측정하는 것을 목표로 하며, 51Cr과 144Ce-144Pr 원천을 이용해 비활성 중성미자 진동을 시험하는 SOX 프로젝트를 소개하여, 소형 검출기 구조에서 중성미자 진동의 물결무늬를 직접 관측할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

The Borexino experiment, located in the Gran Sasso National Laboratory, is an organic liquid scintillator detector conceived for the real time spectroscopy of low energy solar neutrinos. The data taking campaign phase I (2007 - 2010) has allowed the first independent measurements of 7Be, 8B and pep fluxes as well as the first measurement of anti-neutrinos from the earth. After a purification of the scintillator, Borexino is now in phase II since 2011. We review here the recent results achieved during 2013, concerning the seasonal modulation in the 7Be signal, the study of cosmogenic backgrounds and the updated measurement of geo-neutrinos. We also review the upcoming measurements from phase II data (pp, pep, CNO) and the project SOX devoted to the study of sterile neutrinos via the use of a 51Cr neutrino source and a 144Ce-144Pr antineutrino source placed in close proximity of the active material.

연구 동기 및 목표

• 보렉시노 단계 II에서 정제된 스캐빈저를 사용해 pp, pep, CNO 태양 중성미자 통량을 통계적 불확실성 10% 이내로 측정하는 것.
• 지구 내부에서 오는 지오-중성미자 통량을 정밀하게 측정하여 배타적 규산염 지구 모델을 시험하는 것.
• 7Be 중성미자 신호의 계절적 변동을 조사하여 태양 및 검출기 효과를 탐구하는 것.
• 전용 우두구에 설치된 51Cr 중성미자 원천과 144Ce-144Pr 반중성미자 원천을 이용해 SOX 실험으로 비활성 중성미자 진동을 탐색하는 것.
• 원천-검출기 거리와 에너지 스펙트럼을 활용해 소형 검출기에서 중성미자 진동의 물결무늬를 고해상도로 탐지하는 것.

제안 방법

• 이탈리아 그란 사소에서 3800 m.w.e. 깊이에 위치한 278톤의 유기 액체 스크린저 검출기(피세우코루렌에 PPO 첨가)를 사용한다.
• 전자 반동에 의해 유도된 중성미자-전자 탄성 산란에 의해 발생하는 스크린저 빛을 2212개의 8인치 PMT가 탐지한다.
• 시간-비행 거리 재구성 기법을 적용하여 약 13cm의 위치 해상도와 862 keV에서 44 keV(6.6%)의 에너지 해상도를 확보한다.
• 배경 및 검출기 반응을 보정하기 위해 이벤트 에너지 스펙트럼에서 중성미자 통량을 추출하기 위해 비구간 최대우도 적합을 적용한다.
• 단거리 진동을 연구하기 위해 검출기 아래 1m³ 크기의 우두구에 51Cr 원천(430 keV 및 750 keV)과 144Ce-144Pr 원천(최대 3 MeV)을 설치한다.
• 반중성미자 탐지에 중성자 태깅을 활용하여 배경이 거의 없는 조건을 구현함으로써 진동 신호에 대한 감도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양의 핵에서 오는 pp 중성미자 통량은 정확히 얼마이며, 통계적 불확실성 10% 이내로 측정할 수 있는가?
• RQ2 CNO 중성미자 통량을 측정하거나 그 상한선을 크게 향상시킬 수 있는가? 이는 태양 금속성 문제를 해결하는 데 중요한 요소이다.
• RQ3 7Be 중성미자 신호는 계절적 변동을 보이며, 이는 태양 또는 검출기 효과를 밝혀내는 데 무엇을 시사하는가?
• RQ4 단거리 기반에서 비활성 중성미자 혼합으로 인한 SOX 실험에서 51Cr 원천으로부터의 진동 물결무늬를 탐지할 수 있는가?
• RQ5 144Ce-144Pr 반중성미자 원천은 Reactor 이면에 대한 감도는 얼마이며, 비활성 중성미자 진동을 확인하거나 배제할 수 있는가?

주요 결과

• 지오-중성미자 통량은 38.8 ± 12.0 TNU로 측정되었으며, 이는 배타적 규산염 지구 모델 예측과 일치하지만, 다양한 지구물리학적 모델을 구분하기에는 아직 충분하지 않다.
• 여러 차례의 데이터 수집 주기를 거친 후 7Be 중성미자 통량은 3%의 불확실성으로 측정되었으며, 계절적 변동이 관측되고 분석되었다.
• pp 중성미자 통량 측정은 통계적 불확실성이 10% 이하로 도달할 것으로 예상되며, 시스템적 오차는 현재 활발히 연구 중이다.
• pep 중성미자 통량 측정은 10% 수준의 정밀도를 목표로 하며, 분석이 진행 중이다.
• CNO 중성미자 통량 측정은 고도로 우선시되는 목표이다. 만약 단계 II에서 달성되지 않으면, 210Bi 오염을 줄이기 위한 추가 정제를 통해 기존의 한계를 향상시킬 것이다.
• SOX 프로젝트는 2015년에 10 MCi 크기의 51Cr 원천과 2016년에 100–120 kCi 크기의 144Ce-144Pr 원천을 설치하여 높은 감도로 비활성 중성미자 진동을 탐색할 계획이다.