Borexino è un esperimento di fisica delle particelle su larga scala che ha raccolto dati fino a ottobre 2021. La sua missione principale era studiare i neutrini solari a bassa energia (sub-MeV) utilizzando il rivelatore Borexino, il calorimetro a scintillatore liquido più radiopuro al mondo, situato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso vicino all'Aquila, in Italia.

La Borexino Collaboration, il gruppo di ricerca che conduce l'esperimento, ha recentemente raccolto la prima misura sperimentale di neutrini solari sub-MeV utilizzando un rivelatore a scintillazione. Questa misurazione, presentata in un documento pubblicato in Physical Review Letters , potrebbe aprire nuove possibilità per la ricostruzione ibrida di eventi di fisica delle particelle utilizzando Cherenkov e le firme di scintillazione contemporaneamente.

"L'idea principale alla base di questo lavoro era raccogliere prove sperimentali che è possibile utilizzare le informazioni fornite dai fotoni Cherenkov anche in un rivelatore a scintillazione monolitico", ha detto a Phys.org Johann Martyn, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio .

Attualmente, esistono due tipi principali di rivelatori per lo studio dei neutrini, vale a dire rivelatori Cherenkov ad acqua, come il rivelatore Super-Kamiokande (SNO) e rivelatori a scintillatore liquido, come il rivelatore Borexino. Nei rivelatori Cherenkov in acqua, i neutrini disperdono gli elettroni nel mezzo. Se questi elettroni si muovono più velocemente della velocità della luce nell'acqua, producono radiazione Cherenkov.

"Questa radiazione Cherenkov viene emessa in un cono attorno alla direzione dell'elettrone, il che rende possibile differenziare tra i neutrini solari (provenienti dal sole) e il fondo radioattivo (proveniente da qualsiasi punto del rivelatore)", ha spiegato Martyn. "Tuttavia, poiché il numero assoluto di fotoni Cherenkov è piccolo (~30 fotoni a 3,5 MeV di energia depositata in super-Kamiokande), la soglia di bassa energia è relativamente alta rispetto ai rivelatori a scintillazione."

In contrasto con i rivelatori Cherenkov ad acqua, gli scintillatori liquidi producono molti più fotoni, attraverso un processo noto come "scintillazione". Durante la scintillazione, un elettrone indotto dal neutrino eccita le molecole dello scintillatore, che a loro volta producono fotoni. In Borexino, ciò si traduce nella produzione di circa 500 fotoni a 1 MeV di energia depositata.

"Ciò rende possibile studiare i neutrini solari con energie molto più basse e come tali indagare sui canali di produzione di fusione di questi neutrini solari a bassa energia", ha detto Martyn. "Allo stesso tempo, tuttavia, i fotoni di scintillazione vengono emessi in modo isotropico, il che significa che non sono rimaste informazioni direzionali."

Sebbene gli scintillatori liquidi possano ancora produrre fotoni a basse energie, il rapporto relativo di questi fotoni è così piccolo che non può essere utilizzato per eseguire analisi evento per evento standard. Ad esempio, a basse energie il rivelatore Borexino produce circa ~1 fotone Cherenkov per evento di neutrini. Nel loro recente articolo, Martyn e i suoi colleghi hanno utilizzato un metodo statistico per riassumere i fotoni Cherenkov prodotti in tutti gli eventi di neutrini registrati dal rivelatore.

"Usando il nostro metodo, anche se abbiamo solo 1 fotone Cherenkov per evento di neutrino, abbiamo circa 10000 eventi di neutrino in totale, dandoci quindi anche circa 10000 fotoni Cherenkov che possono essere utilizzati nelle analisi", ha detto Martyn. "Questo ci consente di combinare la forza di entrambi i tipi di rivelatore:guardare i neutrini a bassa energia (attivati ​​dalla luce di scintillazione) ma utilizzare le informazioni direzionali dei neutrini solari per differenziare i segnali relativi agli eventi dalla radiazione di fondo."

Di per sé, la recente misurazione raccolta dalla Collaborazione Borexino non è particolarmente impressionante, soprattutto se confrontata con le analisi Borexino convenzionali basate solo sulla luce di scintillazione. Tuttavia, questo recente studio potrebbe avere importanti implicazioni, poiché dimostra sperimentalmente che è effettivamente possibile eseguire un'analisi di neutrini ibridi.

"Borexino è un rivelatore a scintillatore liquido (LS) con ~ 280 t di LS in un volume sferico di 6,5 m di raggio e ~ 2000 tubi fotomoltiplicatori (PMT)", ha spiegato Martyn. "Se un neutrino solare interagisce nello scintillatore, disperde un elettrone, che a sua volta eccita le molecole dello scintillatore. Queste molecole emettono poi fotoni che vengono rilevati dai PMT."

La quantità di fotoni di scintillazione prodotti da Borexino dipende dall'energia dell'elettrone diffuso dai neutrini solari. Di conseguenza, i ricercatori possono tradurre matematicamente il numero di colpi di protoni sui PMT in un'energia di elettroni.

"Il problema è che lo sfondo radioattivo produce anche elettroni, che eccitano ugualmente le molecole dello scintillatore", ha spiegato Martyn. "La normale analisi Borexino viene quindi eseguita osservando lo spettro energetico rilevato di molti eventi. La fusione dell'idrogeno all'interno del sole ha prodotto neutrini con energie diverse e questo produce un certo spettro energetico che sembra diverso per i neutrini solari e per lo sfondo. Confrontando il misurato spettro con lo spettro noto di tutti i possibili neutrini solari e gli spettri radioattivi di fondo permette di dedurre il numero di neutrini."

Il nuovo approccio statistico implementato da Martyn e dai suoi colleghi è stato al centro della riuscita misurazione ibrida che hanno rilevato. Invece di guardare direttamente lo spettro energetico, il team ha esaminato la distribuzione dei colpi PMT per molti eventi di neutrini, rispetto alla posizione del sole.

"Poiché i neutrini provengono dal sole e gli elettroni sono dispersi principalmente nella stessa direzione da cui provengono i neutrini, possiamo vedere il contributo dei fotoni Cherenkov come un piccolo picco, mentre i fotoni di scintillazione e gli sfondi radioattivi sono isotropi e produrre una distribuzione piatta."

L'analisi delineata nel recente documento del team include eventi in un intervallo di energia compreso tra 0,5 e 0,7 MeV. Questo è l'intervallo di energia in cui Martyn e i suoi colleghi si aspettavano di osservare il maggior numero di neutrini in proporzione alla radiazione di fondo.

Gli eventi che hanno analizzato sono stati tutti registrati durante la prima fase dell'esperimento Borexino, che va dal 2007 al 2011. La ragione principale di ciò è che durante quel periodo la collaborazione ha avuto accesso ai dati di calibrazione, di cui avevano bisogno per stimare correttamente il numero di neutrini interagire con lo scintillatore.

Infatti, mentre il team misura efficacemente i fotoni di Cherenkov, devono essere in grado di tradurre questa misurazione nel numero di eventi di neutrini. Per fare ciò, devono conoscere il numero di fotoni Cherenkov che verrebbero prodotti per ogni evento di neutrini, che è correlato ai dati di calibrazione.

"Borexino è un ambiente molto sfavorevole per contare i fotoni Cherenkov, poiché non è mai stato costruito o previsto per svolgere un compito del genere", ha detto Martyn. "Quindi, il risultato più notevole è che abbiamo dimostrato che le informazioni direzionali sono accessibili anche in questo rivelatore a scintillazione monolitico."

In futuro, le misurazioni raccolte dalla collaborazione Borexino potrebbero aprire la strada a nuovi esperimenti di fisica delle particelle ibride che combinano i punti di forza della scintillazione e dei rivelatori Cherenkov. Poiché il loro risultato è sperimentale e non basato esclusivamente su simulazioni, dimostra chiaramente la fattibilità di questi esperimenti ibridi.

Nei loro prossimi studi, Martyn e i suoi colleghi intendono concentrarsi su un tipo di neutrini chiamati neutrini del ciclo CNO. Si tratta di neutrini prodotti durante il ciclo CNO, un processo in cui l'idrogeno viene fuso in elio, attraverso una reazione catalitica tra carbonio, azoto e ossigeno.

Si prevede che il ciclo CNO contribuisca a circa l'1% di tutta la fusione dell'idrogeno nel sole. I neutrini prodotti durante questo processo, quindi, hanno statistiche basse.

"In Borexino, abbiamo anche il problema del fondo radioattivo del 210Bi, il cui spettro è molto simile allo spettro dei neutrini del ciclo CNO", ha aggiunto Martyn. "Anche se Borexino è ultra radio-puro, la combinazione delle statistiche sui neutrini bassi e la somiglianza degli spettri energetici tra il segnale e il fondo 210Bi rendono difficile un'analisi dei neutrini CNO. In uno dei nostri lavori precedenti, abbiamo trovato prove sperimentali di neutrini prodotti nel ciclo di fusione CNO. Come passo successivo nella nostra ricerca, vogliamo provare a includere le informazioni direzionali come supplemento all'analisi standard in questa regione energetica CNO (~0,9-1,4 MeV)." + Esplora ulteriormente

Il team di Borexino dimostra che è possibile avere sensibilità direzionale ed energetica quando si studiano i neutrini solari

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