[论文解读] Neutrinos and (Anti)neutrinos from Supernovae and from the Earth in the Borexino detector

L. Miramonti|ArXiv.org|Jul 14, 2003

Neutrino Physics Research被引用 3

一句话总结

本文研究了利用格兰萨索的Borexino液态闪烁体探测器检测超新星中微子和地内中微子的可能性，该探测器具备极低本底和大有效体积。结果表明，Borexino可探测到来自U、Th和K衰变的地球反中微子，年信号约为7.8个事件，而反应堆反中微子背景（约29个事件/年）由于其独特的能谱形状可被有效扣除，从而实现U与Th贡献的分离。

ABSTRACT

The main goal of the Borexino detector, in its final phase of construction in the Gran Sasso underground laboratory, is the direct observation and measurement of the low energy component of neutrinos coming from the Sun. The unique low energy sensitivity and ultra-low background bring new capabilities to attack problems in neutrino physiscs other than solar ones. Investigation about the study of Supernoavae neutrinos and neutrino coming from the Earth (Geoneutrinos) are here resumed.

研究动机与目标

• 评估Borexino利用逆β衰变和碳相互作用探测核心坍缩超新星高能中微子的能力。
• 评估利用反中微子信号探测地球地壳与地幔中U、Th和K衰变产生的地内中微子的可行性。
• 量化并扣除意大利境内的反应堆反中微子背景，以隔离地球反中微子信号。
• 确定使用大型非分段液态闪烁体探测器测量超新星与地球内部中微子能谱的可行性。

提出的方法

• 利用Cowan-Reines反应（$\bar{\nu}_e + p \rightarrow n + e^+$）通过正电子与2.2 MeV伽马射线的延迟符合来标记反中微子事例。
• 采用300吨液态闪烁体探测器，有效体积为100吨，以最小化光电倍增管带来的外部本底。
• 采用分级屏蔽与超低放射性材料，实现内部本底水平为$10^{-16}$ g/g（U/Th）和$10^{-14}$ g/g（K）。
• 分析中微子在$^{12}$C上的相互作用，包括带电流（CC）与中性流（NC）反应，其特征为$^{12}$C*退激时释放15.1 MeV伽马射线。
• 通过正电子能量的能谱分析，区分地内中微子信号与反应堆反中微子背景。
• 结合全球地壳与反应堆数据，建立反中微子通量模型，计算得出在格兰萨索处的通量为$5.9 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$，背景为$0.65 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 Borexino能否在超新星爆发期间探测到$^{12}$C上中性流中微子相互作用产生的15.1 MeV伽马射峰？
• RQ2 Borexino探测器中来自地球地壳与地幔中U、Th和K衰变的反中微子探测率预期为多少？
• RQ3 在低放射性环境中，如何扣除反应堆反中微子背景以隔离地内中微子信号？
• RQ4 U、Th和K在地球整体硅酸盐地球模型中的放射性热产生与反中微子通量贡献如何？
• RQ5 地球内部反中微子事例的能谱形状能否区分U与Th的贡献？

主要发现

• Borexino可通过Cowan-Reines反应探测超新星反中微子，探测灵敏度约为每年1个事例（在300吨探测器中）。
• 探测器可识别$^{12}$C上中性流相互作用产生的15.1 MeV伽马射峰，从而实现对高能中微子爆发的探测。
• 来自地球地壳与地幔中U、Th和K衰变的预期地内中微子信号率约为每年7.8个事例。
• 反应堆反中微子背景贡献约每年29个事例，其中约7.6个事例能量范围与地内中微子重叠，但其能谱形状允许有效扣除。
• 在格兰萨索处计算得到的反中微子通量为$5.9 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$，主要由K-40衰变主导，背景通量为$0.65 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$（来自反应堆）。
• 地球反中微子的能谱形状允许对U与Th贡献进行分离，从而对地球放射性热产生提供约束。