Borexino

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Borexino es un experimento de física de partículas subterráneas profundas que estudia los neutrinos solares de baja energía (sub-MeV). El detector es el calorímetro de centelleo líquido más radiopuro del mundo y está protegido por una profundidad equivalente a 3800 metros de agua (un volumen de roca superior equivalente en poder de blindaje a esa profundidad). El centelleador está compuesto por pseudocumeno y PPO, sujeto por una fina esfera de nailon. Está ubicado dentro de una esfera de acero inoxidable que alberga los tubos fotomultiplicadores (PMT), utilizados como detectores de señales, y está protegido por un tanque de agua contra la radiación externa. Los PMT, orientados hacia afuera, detectan cualquier destello de luz para identificar los muones cósmicos entrantes que logran penetrar la sobrecarga de la montaña. La energía de los neutrinos se puede determinar mediante el número de fotoelectrones medidos en los PMT. Mientras que la posición puede determinarse extrapolando la diferencia en los tiempos de llegada de los fotones a los PMT en toda la cámara.El objetivo principal del experimento es medir con precisión los flujos individuales de neutrinos provenientes del Sol y compararlos con las predicciones del modelo solar estándar. Esto permitirá a los científicos analizar y comprender mejor el funcionamiento del Sol (por ejemplo, los procesos de fusión nuclear que ocurren en su núcleo, la composición solar, la opacidad, la distribución de la materia, etc.) y también ayudará a determinar las propiedades de las oscilaciones de neutrinos, incluyendo el efecto MSW. Los objetivos específicos del experimento son detectar neutrinos solares de berilio-7, boro-8, pp, pep y CNO, así como antineutrinos provenientes de la Tierra y centrales nucleares. El proyecto también podría detectar neutrinos de supernovas en nuestra galaxia, con un potencial especial para detectar la dispersión elástica de neutrinos sobre protones, debido a interacciones de corriente neutra. Borexino es miembro del Sistema de Alerta Temprana de Supernovas. También se están realizando búsquedas de procesos raros y posibles partículas desconocidas.El nombre Borexino es el diminutivo italiano de BOREX (Experimento de Neutrinos Solares de Boro), debido a que la propuesta experimental original de 1 kT-fiducial con un centelleador diferente (TMB) se suspendió debido a un cambio de enfoque en los objetivos físicos, así como a limitaciones financieras. El experimento se ubica en los Laboratori Nazionali del Gran Sasso, cerca de la ciudad de L'Aquila, Italia, y cuenta con el apoyo de una colaboración internacional con investigadores de Italia, Estados Unidos, Alemania, Francia, Polonia, Rusia y Ucrania. El experimento está financiado por varias agencias nacionales; las principales son el INFN (Instituto Nacional de Física Nuclear, Italia) y la NSF (Fundación Nacional de Ciencias, EE. UU.).El experimento SOX fue un subproyecto diseñado para estudiar la posible existencia de neutrinos estériles u otros efectos anómalos en las oscilaciones de neutrinos a corta distancia mediante un generador de neutrinos basado en cerio-144 radiactivo, colocado bajo el tanque de agua del detector Borexino. Este proyecto se canceló a principios de 2018 debido a la cancelación en 2017 del contrato de cerio-144 por parte de la planta rusa de reprocesamiento de combustible Mayak. Se cree que la cancelación está relacionada con el aumento anómalo de la radiactividad atmosférica en Europa durante el otoño de 2017, cuya fuente finalmente se localizó en la planta de reprocesamiento Mayak.El experimento Borexino se dio por finalizado en octubre de 2021.

Historia y resultados notables

Las bandas grises comparan las regiones donde los tres telescopios solares neutrino, que son capaces de medir la energía de los eventos, son sensibles. Tenga en cuenta que las predicciones de los modelos solares están en escala logarítmica: Super-Kamiokande y SNO pueden observar alrededor del 0,02% del total, mientras que Borexino puede observar cada tipo de neutrino predicho.
Espectro de los datos Borexino utilizados para la determinación simultánea del pp, Pep y 7Sea fluidos solares ν, así como el mejor límite disponible en el flujo CNO ν con limitaciones débiles. Los componentes solares ν se muestran en rojo; componentes de fondo en otros colores. La trama inferior muestra la diferencia entre la forma espectral de los datos ( curva negra), y la forma esperada cuando se agregan analíticamente y se ajustan las señales correspondientes a cada especie.
La propuesta inicial de BOREX se presentó en 1986. En 1990, el diseño se modificó radicalmente y el nombre del experimento se cambió a "Borexino". En ese momento, comenzaron las investigaciones y el desarrollo del detector. Para 2004, se completó la estructura del detector y, para mayo de 2007, se llenó la cámara del detector y comenzó la toma de datos.Los primeros resultados de la colaboración se publicaron en agosto de 2007 en: «Primera detección en tiempo real de neutrinos solares de 7Be mediante Borexino». El tema se amplió en 2008. En 2010, se observaron por primera vez «geoneutrinos» del interior de la Tierra utilizando Borexino. Se trata de antineutrinos producidos en las desintegraciones radiactivas del uranio, el torio, el potasio y el rubidio, aunque solo son visibles los antineutrinos emitidos en las cadenas 238U/232Th debido al canal de reacción de desintegración beta inversa al que Borexino es sensible. Ese año, también se publicó la medición de umbral más bajo (3 MeV) del flujo de neutrinos solares de 8B. Además, se llevó a cabo una campaña de calibración del detector multifuente, donde se insertaron varias fuentes radiactivas para estudiar su respuesta a señales conocidas similares a las esperadas. En 2011, el experimento publicó una medición precisa del flujo de neutrinos de berilio-7, así como la primera evidencia de los neutrinos solares pep.Los resultados de las mediciones de la velocidad de los neutrinos del CERN en Gran Sasso se publicaron en 2012. Estos resultados fueron consistentes con la velocidad de la luz, lo que confirmó que la anomalía de neutrinos más rápidos que la luz, reportada a principios de año, era una medición errónea. También se llevó a cabo una extensa campaña de purificación del centelleador, logrando con éxito reducir aún más los niveles de radiactividad residual de fondo a niveles sin precedentes (hasta 15 órdenes de magnitud por debajo de los niveles de radiactividad natural de fondo).En 2013, los experimentos de Borexino añadieron nuevos límites a los parámetros de los neutrinos estériles. También extrajeron una señal de geoneutrinos, que proporciona información sobre la actividad de elementos radiactivos en la corteza terrestre, un campo hasta entonces poco claro.Un análisis de la actividad de fusión protón-protón en el núcleo solar, publicado en 2014, reveló que la actividad solar se ha mantenido estable en una escala de 105 años. Considerando el fenómeno de las oscilaciones de neutrinos, descrito por la teoría de las ondas de choque (MSW), la medición de Borexino es consistente con las expectativas del modelo solar estándar. Este resultado proporcionó datos significativos para comprender el funcionamiento del Sol. Experimentos previos sensibles a los neutrinos de baja energía (SAGE, Gallex, GNO) contabilizaron los neutrinos por encima de cierta energía, pero no midieron los flujos individuales.En 2015, se presentó un análisis espectral actualizado de geoneutrinos. Además, se instaló un Sistema de Gestión y Monitoreo de Temperatura en varias fases a lo largo de 2015, compuesto por el Sistema de Sonda de Temperatura Latitudinal (LTPS) multisensor, cuyas pruebas e instalación de la primera fase tuvieron lugar a finales de 2014; y el Sistema de Aislamiento Térmico (TIS), que minimizó la influencia térmica del ambiente exterior en los fluidos interiores mediante el amplio aislamiento de las paredes externas del experimento. Posteriormente, en 2015, Borexino también obtuvo el mejor límite disponible para la vida del electrón (mediante la desintegración e−→γ+ν), lo que proporcionó la confirmación más rigurosa de la conservación de la carga hasta la fecha.

Detectar neutrinos solares

El Sol es un gran productor de neutrinos de diferentes mecanismos de fusión como pp y CNO siendo los dos mecanismos de producción neutrino más dominantes y han realizado extensas investigaciones en Borexino. Debido a la propiedad de neutrinos para evitar interacciones, les permite actuar como partículas de mensajero, dando visión a los trabajos internos de fusión nuclear en el núcleo del Sol. Para detectar estos neutrinos solares, primero deben interactuar con los electrones libres dentro del scintillator líquido a través de la dispersión elástica electron-neutrino (). Aunque el flujo de los neutrinos incidentales es alto (), la sección transversal de interacciones es significativamente menor que resulta en una tasa de interacción de sólo varias docenas de conteos por día. A través de esta interacción, el neutrino deposita parte de su energía al electrón, potencialmente excitante. Cuando el electrón baja al estado del suelo, emite un fotón y tiene cierto retroceso con una energía del retroceso asociada. El retroceso de la energía del electrón es un espectro con una energía máxima dada por:

A partir de la conservación de la energía, es posible determinar la energía del neutrino incidente para luego distinguir entre neutrinos pp y CNO mediante el análisis del espectro de energía resultante.
El espectro de energía y frecuencia pp-cadena neutrinos tiene una caída aguda mientras que el espectro de neutrino CNO es muy amplio.

Pp neutrinos

El pp proceso de producción, en el que el hidrógeno se fusiona en helio, es la principal fuente de producción de energía en el Sol (así como otras estrellas similares al Sol que tienden a ser enfriados y son de menor tamaño) así como la fuente dominante de neutrinos, específicamente neutrinos electron (). La primera detección directa pp neutrinos fue realizado por Borexino a lo largo de la segunda fase de recopilación de datos, que abarca desde principios de 2012 hasta mayo de 2013.

CNO neutrinos

Neutrinos originarios del proceso CNO se identifican del espectro energético que se observa, caracterizado por una distribución de energía muy amplia, que oscila entre 0 y 1740 keV como se ve en la figura de la derecha. La detección de estas partículas da una visión directa de la metalicidad del núcleo del Sol, ya que el flujo neutrino CNO depende de la abundancia de elementos más pesados (cualquier cosa más pesado que 4Él). También se cree que CNO es el proceso de fusión dominante en las estrellas más grandes que . Para identificar con confianza los recuentos CNO neutrino, es necesario silenciar los recuentos de 210Bi (whose) decay se asemeja estrechamente al espectro energético de CNO neutrinos) imponiendo una condición de "muon-positron-neutron triple coincidencia".

En 2017, Borexino proporcionó la primera medición espectroscópica de banda ancha del espectro solar ν, con las mediciones simultáneas y más precisas disponibles de los flujos de neutrinos 7Be, pep y pp, extraídos además de una única ventana de energía extendida (190-2930 keV). Estas mediciones alcanzaron una precisión de hasta el 2,7 % (en el caso de los neutrinos solares de berilio) y confirmaron la presencia de neutrinos pep con una precisión de 5σ. El límite de los neutrinos CNO, largamente buscados, se mantuvo en el mismo nivel de significancia que en resultados anteriores de Borexino, que mantienen el mejor límite hasta la fecha, pero con suposiciones más débiles, lo que aumenta la robustez del resultado. Las estadísticas, considerablemente mejoradas gracias a los años adicionales de exposición, así como a las técnicas de análisis renovadas y las simulaciones MonteCarlo de vanguardia de todo el detector y sus procesos físicos, fueron fundamentales para este resultado. Además, se publicó una observación actualizada de neutrinos 8B con datos de las Fases I y II (2008-2016), que mejoró la precisión a aproximadamente el doble de la medición previa de este componente solar e insinuó una ligera preferencia por los SSM de alta metalicidad con los datos disponibles de neutrinos solares. En 2017 también se informó de una mejora en la sensibilidad a la modulación estacional de la señal de neutrinos solares. Ese mismo año, Borexino también estableció el mejor límite de observación directa disponible para el momento magnético de los neutrinos. Una señal de neutrinos relacionada con las observaciones de ondas gravitacionales GW150914, GW151226 y GW170104 fue rechazada dentro de la sensibilidad de Borexino, como se esperaba.En 2020, Borexino detectó los primeros neutrinos CNO del núcleo solar profundo.

Detectando geoneutrinos

También es posible estudiar la composición interna de la Tierra mediante la detección de geoneutrinos producidos por la desintegración beta de elementos radiactivos presentes en la corteza. Algunos elementos de interés incluyen el 238U, el 232Th y el 40K debido a su abundancia en las rocas y a su vida media comparable a la de un planeta en una escala de miles de millones de años, lo que provoca el calentamiento de la superficie terrestre mediante calentamiento radiogénico.
El espectro de geoneutrinos observados junto con representaron fuentes de fondo como muones de origen cósmico o neutrinos producidos en centrales nucleares.
Número de eventos de neutrino detectados con especial atención a los picos azules correspondientes a los neutrinos originarios de la desintegración beta de Thorium y Uranium.

Cuando dichos elementos emiten partículas antineutrinos a través de la desintegración beta menos, interactúan con los protones atómicos en el centelleador, lo que produce un positrón y un neutrón (ν
e+p→e++n). El positrón finalmente se desintegra en dos fotones de 0,511 MeV. El neutrón, el otro producto de la reacción antineutrino-protón, es capturado por un protón mediante el proceso de captura de neutrones, que libera un fotón de 2,22 MeV debido a la desexcitación. Los PMT pueden detectar estos destellos de luz y, en combinación, estas dos señales aparecen como una detección coincidente (de la desintegración del positrón y la captura del neutrón) con cierto retraso entre ellas, lo que permite discriminar muchas señales de fondo, como las interacciones de muones, lo que produce datos de alta resolución. La colaboración Borexino afirma que la principal fuente de fondo residual proviene de los neutrinos electrónicos producidos por los reactores nucleares europeos.

Como se ve desde el espectro neutrino, los picos azules representan los antineutrinos que vienen del interior de la Tierra. Se ve que sólo aparecen dos picos que corresponden a 238U (segundo pequeño pico) y 232Th (primer pico grande) y no hay presencia de antineutrinos que se originan de la descomposición beta 40K. Esto se debe al umbral de energía del detector Borexino que es 1.806 MeV, siendo demasiado alto para desencadenar la detección de esos antineutrinos producidos por la decadencia 40K a 1.32 MeV. De este gráfico, también es posible determinar las abundancias de cada elemento presente en la corteza simplemente extrapolando cuántos eventos ocurren en qué energías. Basado en los datos en este caso, fue posible determinar el flujo de antineutrinos de 238U y 232Th as y respectivamente.

Otras técnicas de discriminación de antecedentes

Para obtener un espectro de las diversas fuentes de neutrinos de fondo, se toman varias precauciones en el diseño experimental y el análisis de datos, además de utilizar técnicas de detección de coincidencias. En primer lugar, para reducir por completo la detección del fondo, la carcasa de nailon está diseñada para bloquear las señales de fondo de la desintegración del 222Rn y otros productos de su cadena de desintegración, presentes en cantidades traza en los materiales del experimento, sobrantes del proceso de producción. La desgasificación de estos isótopos radiactivos y su posterior desintegración beta, provocarían una falsa detección de un neutrino solar.Se observó que las fluctuaciones de temperatura debidas a la variabilidad estacional y la actividad humana generaban convección dentro de la cámara de centelleo, lo que finalmente alteró la tasa de desgasificación de 210Po de forma impredecible. Para mitigar este problema, a finales de 2015 se envolvió el detector con aislamiento térmico para mantener una temperatura interna estable. Además, a principios de 2016, se instaló un sistema de control de temperatura debajo de la carcasa principal, en contacto con la roca, que se mantendría a bajas temperaturas. Este sistema actuaría como disipador de calor, eliminando la energía térmica del detector y sus alrededores, reduciendo aún más la variabilidad de la temperatura.

Proyecto SOX

Generador de antineutrino SOX planificó el despliegue a lo largo de las vías ferroviarias: desde su punto de desembarque externo (abajo derecho), a través de las áreas de calorías (abajo derecho dentro de la sala limpia), hasta su posición operativa (centro superior) en el pozo pequeño bajo Borexino
El experimento SOX tuvo como objetivo la confirmación completa o la refutación clara de las llamadas anomalías de neutrinos, un conjunto de evidencias circunstanciales de la desaparición de neutrinos electrónicos observada en LSND, MiniBooNE, con reactores nucleares y con detectores de galio de neutrinos solares (GALLEX/GNO, SAGE). De tener éxito, SOX demostraría la existencia de componentes de neutrinos estériles y abriría una nueva era en la física fundamental de partículas y la cosmología. Una señal sólida significaría el descubrimiento de las primeras partículas más allá del Modelo Electrodébil Estándar y tendría profundas implicaciones en nuestra comprensión del Universo y de la física fundamental de partículas. En caso de un resultado negativo, podría cerrar un debate de larga data sobre la realidad de las anomalías de neutrinos, investigaría la existencia de nueva física en interacciones de neutrinos de baja energía, proporcionaría una medición del momento magnético de los neutrinos, el ángulo de Weinberg y otros parámetros físicos básicos; y proporcionaría una excelente calibración energética para Borexino, lo cual será muy beneficioso para futuras mediciones de neutrinos solares de alta precisión.Se concibió que SOX utilizaría un potente (≈150 kCi) e innovador generador de antineutrinos, compuesto por Ce-144/Pr-144 y, posiblemente, un generador posterior de neutrinos Cr-51, lo que requeriría una campaña de toma de datos mucho más corta. Estos generadores se ubicarían a poca distancia (8,5 m) del detector Borexino —de hecho, debajo de él: en un foso construido ex profeso antes de la instalación del detector, con la idea de que pudiera utilizarse para la inserción de dichas fuentes radiactivas— y producirían decenas de miles de interacciones de neutrinos limpias en el volumen interno del detector Borexino. Se realizaría una campaña de calorimetría gemela de alta precisión (<1% de incertidumbre) antes de su despliegue en el foso, al finalizar la toma de datos y, posiblemente, en algún momento durante el experimento, para proporcionar una medición precisa e independiente de la actividad de la fuente y lograr un análisis con baja incertidumbre. También se han desarrollado análisis de forma para la señal de antineutrino de la fuente con el fin de aumentar la sensibilidad del experimento, cubriendo todo el espacio de fase de "anomalía" de alta significación que aún queda donde podrían estar los neutrinos ligeros estériles.

SOX canceló

Se esperaba que el experimento comenzara en el primer semestre de 2018 y recopilara datos durante aproximadamente dos años. En octubre de 2017, se realizó con éxito una prueba de transporte de extremo a extremo "en blanco" (sin material radiactivo) en el sitio Borexino de LNGS, con el fin de obtener los permisos regulatorios finales para el inicio del experimento, antes de la llegada de la fuente. La fuente de óxido de cerio (ceria, o CeO2) para el generador de antineutrinos de CeSOX debía ser fabricada por Mayak PA, pero a finales de 2017 se detectaron problemas técnicos durante la fabricación. Estos problemas implicaron que el generador no podría proporcionar la cantidad necesaria de antineutrinos, por un factor de tres, lo que motivó la revisión del proyecto y su fecha de inicio. A principios de febrero de 2018, el proyecto CeSOX fue cancelado oficialmente por la CEA y el INFN debido al problema de producción de la fuente radiactiva, y los objetivos de Borexino para 2018-19 se reorientaron hacia lograr una mayor estabilidad del detector y, con ello, una mayor radiopureza, con el fin de impulsar resultados de neutrinos solares de mayor precisión, con especial énfasis en los neutrinos CNO.

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  • Medios relacionados con Borexino en Wikimedia Commons
  • Sitio oficial
  • Borexino Genova página principal
  • Record for Borexino experiment on INSPIRE-HEP

42°28′N 13°34′E / 42.46, 13.57

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