Solar Neutrinos with Borexino Low Background Lessons for the JinPing - PowerPoint PPT Presentation

Solar Neutrinos with Borexino Low Background Lessons for the JinPing Laboratory Frank Calaprice and Jingke Xu Department of Physics Princeton University 4/10/2014 ¡ 1 ¡ Solar Neutrinos at Jin Ping

Solar Neutrinos with Borexino First experiment to directly detect solar neutrinos below the 3 MeV background wall. A breakthrough made possible by “brute force” low-background methods. • On-going research toward measurements of pp and CNO neutrinos 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 2 ¡

Solar Nuclear Fusion Cycles The pp cycle The CNO cycle <0.42 ¡MeV ¡ 1.44 ¡MeV ¡ <1.2 ¡MeV ¡ <1.7 ¡MeV ¡ 0.86 ¡MeV ¡ <15 ¡ ¡MeV ¡ <1.7 ¡MeV ¡ 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 3 ¡

Neutrino Detection v + e − → v + e − 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 4 ¡

Solar Neutrino Spectra Neutrino Energy Spectrum Neutrino-Electron Elastic Scattering Energy Spectrum 3 10 Events / (day x 100 tons x 10 p.e.) Total spectrum 8 ( B) = 0.46 cpd/100 tons ν 2 10 7 ( Be) = 47.6 cpd/100 tons ν 862 (CNO) = 5.36 cpd/100 tons ν 10 (pep) = 2.8 cpd/100 tons ν ν (pp) = 133 cpd/100 tons 1 -1 10 -2 10 -3 10 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Photoelectrons X2 for keV 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 5 ¡

Borexino Results 2007-2012 Solar Neutrinos ✓ 7 Be 46.0 cpd/100t ± 5%. PRL 2011 ✓ 8 B (> 3 MeV) 0.22 cpd/100t ± 19% PRD 2010 ✓ Pep 3.1 cpd/100t ± 22% PRL 2012 ✓ CNO limit < 7.9 cpd/100t PRL 2012 ✓ 7 Be day/night asy. A = 0.001 ± 0.014 PLB 2012 ✓ 7 Be annual modulation PLB 2012 Geo-neutrinos ü Geo-neutrinos 14.3 ± 3.4 eV/(613 t-yr) PLB 2013 Rare Processes ü Test of Pauli Exclusion Principle in Nuclei PRC 2010 ü Solar axion upper limit PRD 2012 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 6 ¡

Motivation for pep Neutrinos MSW Theory & Non-standard Interctions MSW theory of neutrino oscillations in the Sun predicts a transition in survival probability of ν e from vacuum oscillations pep ¡ pp ¡ below 2 MeV to matter effect Uncertainty ¡too ¡large. ¡ ¡ 7 7 Be ¡ oscillation at higher energy. The effect has been observed 8 B ¡ Reducing the uncertainty in pep neutrino rate will improve the confirmation of this MSW Figure ¡from ¡Haxton, ¡et ¡al ¡ feature, and tighten constraints Ann. ¡Rev. ¡Astron. ¡Astrophys. ¡2013 ¡ on non-standard interactions. 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 7 ¡

Solar ¡ ν ’s ¡as ¡Probes ¡of ¡Neutrino-­‑MaQer ¡InteracSons ¡ Non-­‑standard ¡InteracSons ¡ ¡ NSI Std. MSW pep Friendland, ¡Lunardini, ¡Pena-­‑Garay ¡2004 ¡ ¡ Friedland ¡and ¡Shoemaker ¡2012 ¡ ¡ 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 8 ¡

Borexino Energy Spectra PRL 107 141302 (2011) Data are based on 740.7 live days between May 16, 2007 and May 8, 2010. pp ¡ 77Be ¡ Prominent backgrounds are: CNO ¡ pep ¡ 210 Po 210 Bi 85 Kr, 11 C & 14 C (not shown) CNO obscured mainly by 210 Bi due to similar shape. The 210 Po alpha rate was high, but rejected by alpha/beta pulse shape discrimination. The pep was measured by applying cuts to reduce the 11 C. (muon track, neutron, other) 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 9 ¡

Overview of the Borexino Detector (Mostly Active Shielding) • Shielding Against Ext. Backgnd. – Water: 2.25m – Buffer zones: 2.5 m – Outer scintillator zone: 1.25 m • Main backgrounds: in Liq. Scint. – 14 C/ 12 C • 10 -18 g/g. cf. 10 -11 g/g in air CO 2 – U, Th impurities – Cosmogenic 11 C (t 1/2 = 20 min) – 222 Rn daught ( 210 Pb, 210 Bi, 210 Po) – 85 Kr (air leak) • Light yield (2200 PMT’s) – Detected: 500 p e /MeV (~5%) • Pulse shape discrimination. – Alpha-beta separation 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 10 ¡

Borexino ¡External ¡ γ -­‑Background ¡ External ¡Gamma ¡Ray ¡Sources ¡ External ¡Gamma ¡Ray ¡AQenuaSon ¡ 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 11 ¡

Main Low-Background Features of Borexino • Water and Scintillator Shielding (Collaboration) – Purified for ultra-low internal radioactivity. • Scintillator Containment Vessel (Princeton) – Nylon balloon with small mass and low radioactivity – Built in low-radon cleanroom to avoid 210 Pb (22 yr) • Scintillator Purification System (Princeton) – Pseudocumene (PC) & 1.5 g/l PPO – Distillation, water extraction, and N 2 gas stripping. 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 12 ¡

Nylon Scintillator Containment Vessel Fabricated in special Princeton Low-Radon Cleanroom John Bahcall First hermetically sealed cleanroom with low-radon air was developed to avoid surface radioactivity due to 222 Rn daughters: è 210 Pb (22 yr). Fabrication time: > 1 yr Low-radon cleanrooms are now more common in low-background research. 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 13 ¡

Low Background Nylon Vessel A ¡leak ¡in ¡Nylon ¡Vessel ¡started ¡a ¡few ¡ • months ¡a]er ¡iniSal ¡filling. ¡ ¡Cause ¡may ¡have ¡been ¡buoyant ¡force ¡due ¡to ¡ – sudden ¡temperature ¡change ¡ ¡ Buffer ¡ AdjusSng ¡ ¡density ¡of ¡buffer ¡to ¡match ¡density ¡ – of ¡scinSllator ¡reduced ¡leak. ¡ ConSnued ¡operaSon ¡showed ¡very ¡low ¡ • ScinSllator ¡ 222 Rn ¡emanaSng ¡from ¡nylon ¡vessel. ¡ ¡ Total ¡rate ¡of ¡ 214 Bi-­‑ 214 Po ¡rate ¡is ¡less ¡than ¡10 ¡ – cpd, ¡consistent ¡with ¡earlier ¡measurements ¡of ¡ Vessel ¡ emanaSon ¡from ¡nylon. ¡ No ¡significant ¡source ¡of ¡surface ¡parSculate ¡ – radioacSvity. ¡ 210 Pb ¡sSll ¡being ¡determined ¡from ¡ 210 Po. ¡ • It ¡could ¡be ¡about ¡ ¡x100 ¡bigger ¡than ¡ ¡210Pb ¡ – No ¡evidence ¡(yet) ¡for ¡leaching ¡of ¡ 210 Pb ¡into ¡ – DistribuSon ¡of ¡ 214 Bi-­‑ 214 Po ¡events ¡near ¡ ¡ scinSllator. ¡ Nylon ¡Vessel: ¡~ ¡2 ¡month ¡counSng ¡Sme. ¡ Total ¡rate ¡is ¡excellent: ¡ ¡~ ¡5 ¡cpd. ¡ ¡ 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 14 ¡

Pseudocumene Purification During Filling Operations. 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 15 ¡

Distillation, Stripping, Water Extraction Columns “Precision cleaned”, then assembled in low-Rn cleanroom Stripping ¡ ¡column ¡ Low ¡radon ¡clean ¡room ¡ DisSllaSon ¡ column ¡ Assembly of distillation & stripping columns Radio-pure (LAK) nitrogen (Heidelberg) In Princeton Low-Radon Cleanroom. Simgen, Heusser, Zusel, Appl. Rad. 61, 213 (2004) 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 16 ¡

Energy spectrum with backgrounds 11 C ¡ ¡ 210 Po ¡ ¡ 210 Bi ¡ ¡ 85 Kr ¡ ¡ CNO ¡ 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 17 ¡

CNO ¡with ¡Borexino? ¡ • CNO ¡rate ¡(cpd/100t): ¡ ¡ – High ¡metallicity: ¡ ¡4.5 ¡ ¡ ¡ – Low ¡metallicity: ¡ ¡3.0 ¡ ¡ • Backgrounds ¡(cpd/100t) ¡ – ¡ !! C ¡ ¡(from ¡muons): ¡ ¡28.9 ¡-­‑> ¡0.3 ¡SNO ¡JInPing? ¡ – ¡ 210 Bi ¡(from ¡210Pb): ¡ ¡41 ¡-­‑> ¡20 ¡-­‑>1? ¡ ¡ ¡ – External ¡gammas: ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡4.5 ¡ ¡ ¡(fit ¡to ¡spectrum) ¡ ¡ • Yes, ¡but ¡ ¡ – Deeper ¡is ¡beQer ¡to ¡reduce ¡ 11 C ¡ – Lower ¡external ¡background ¡ ¡is ¡desirable ¡ • More ¡shielding ¡+ ¡lower ¡radioacSvity ¡PMTs ¡ 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 18 ¡

Re-Purification of the Liquid Scintillator Toward “Very Low” Background • Lower Backgrounds for pp and CNO neutrinos. – 210 Bi obscures CNO and pep neutrinos. – 85 Kr interferes with 7 Be neutrinos • Purification of scintillator by “water extraction” and “nitrogen stripping” was carried out 2010-2011. – Backgrounds reduced significantly; enabled pp neutrino data – More reduction still needed for CNO neutrinos. 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 19 ¡

Background Reduction with Loop Purification of Liquid Scintillator • “Loop” purification is achieved by draining fluid from bottom of vessel, passing it through purification system, and returning to the top. • Processes available are: – Water extraction or distillation – Nitrogen stripping ( 85 Kr) 4/10/2014 ¡ Solar ¡Neutrinos ¡at ¡Jin ¡Ping ¡ 20 ¡