[论文解读] Recent Borexino results and prospects for the near future

D. D’Angelo, G. Bellini+86 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文介绍了Borexino实验的最新成果，包括7Be中微子信号的季节性调制、改进的地球中微子通量测量以及宇宙射线背景研究。论文概述了二期计划，旨在以低于10%的统计不确定性测量pp、pep和CNO太阳中微子通量，并介绍了SOX项目，通过使用51Cr和144Ce-144Pr源探测惰性中微子振荡，实现紧凑探测器结构中中微子振荡波纹的直接观测。

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.

研究动机与目标

• 利用Borexino二期中纯化的闪烁液体，以低于10%的统计不确定性测量pp、pep和CNO太阳中微子通量。
• 精确测定来自地球内部的地球中微子通量，以检验地壳硅酸盐地球模型。
• 研究7Be中微子信号的季节性调制，以探究太阳和探测器效应。
• 通过SOX实验，利用51Cr中微子源和144Ce-144Pr反中微子源，在专用坑道中探测惰性中微子振荡。
• 通过利用源-探测器距离和能谱，实现紧凑探测器中中微子振荡波纹的高分辨率探测。

提出的方法

• 在意大利蒙特·格朗萨索地下3800米水当量深度，使用278吨有机液体闪烁体探测器（掺杂PPO的伪枯烯）。
• 采用2212个8英寸光电倍增管，探测由中微子-电子弹性散射引发的电子反冲产生的闪烁光。
• 采用飞行时间重建技术，位置分辨率约为13厘米，862 keV处能量分辨率为44 keV（6.6%）（针对7Be中微子）。
• 采用无箱最大似然拟合方法，从事件能谱中提取中微子通量，同时校正背景和探测器响应。
• 在探测器下方1立方米的坑道中部署51Cr源（430 keV和750 keV）和144Ce-144Pr源（最高达3 MeV），以研究短基线振荡。
• 采用中子标记技术进行反中微子探测，实现接近无背景的条件，从而提高对振荡信号的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 太阳核心pp中微子通量的精确值是多少？能否实现低于10%的统计不确定性测量？
• RQ2 CNO中微子通量能否被测量，或其上限能否显著改进？这对其解决太阳金属丰度问题具有重要意义。
• RQ3 7Be中微子信号是否表现出季节性调制？这揭示了关于太阳或探测器效应的哪些信息？
• RQ4 SOX实验能否探测到由于短基线处惰性中微子混合而产生的51Cr源振荡波纹？
• RQ5 144Ce-144Pr反中微子源对反应堆异常的灵敏度如何？能否证实或排除惰性中微子振荡？

主要发现

• 测得地球中微子通量为38.8 ± 12.0 TNU，与地壳硅酸盐地球模型预测一致，但尚不足以区分不同地球物理模型。
• 经过多轮数据采集后，7Be中微子通量测量的不确定性降至3%，并观测到且分析了季节性调制。
• pp中微子通量测量预计可实现低于10%的统计不确定性，系统误差正在积极研究中。
• pep中微子通量目标为实现10%精度的测量，相关分析正在进行中。
• CNO中微子通量测量是高优先级目标；若二期无法实现，则将通过进一步纯化以减少210Bi污染，提升现有测量极限。
• SOX项目计划于2015年和2016年分别部署10 MCi的51Cr源和100–120 kCi的144Ce-144Pr源，以高灵敏度探测惰性中微子振荡。