RICERCA ITALIANA     

Caratterizzazione con sorgenti radioattive di scintillatori organici liquidi in apparati sperimentali di grande massa sia per la misura dei neutrini solari di bassissima energia sia per la ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini.

Università degli Studi di Genova

Abstract

Questo progetto si propone di caratterizzare scintillatori organici liquidi per la misura di flussi di neutrini solari di bassa energia e per la ricerca del decadimento doppio beta senza emissione di neutrini, sfruttando le potenzialità di un rivelatore unico al mondo come la Counting Test Facility (CTF), presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italia. CTF, infatti, è il rivelatore prototipo su piccola scala di Borexino, a geometria sferica e con 4 tonnellate di volume attivo, in grado di misurare con i suoi 100 tubi fotomoltiplicatori i bassissimi livelli di contaminazioni in regime di ultra radio-purezza.

In particolare, per la fisica del neutrino solare, ci proponiamo di studiare il quenching di elettroni in scintillatori liquidi mediante l'uso di sorgenti radioattive. La distorsione non lineare della scala energetica in scintillatori liquidi dovuta al quenching è una delle maggiori sorgenti di sistematiche per gli esperimenti a scintillazione, tra cui Borexino, che si propongono di misurare in tempo reale i flussi di neutrini solari di bassa energia. Inoltre, tale misura verificherebbe il modello semi-empirico di Birks, a tutt'oggi estremamente ambiguo nella descrizione del quenching di particelle ionizzanti in scintillatore liquido,

In questo ambito, il piano di lavoro prevede di progettare e realizzare un sistema di inserzione di sorgenti in CTF che minimizzi la contaminazione e garantisca la stabilità meccanica della >>>

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Marco Pallavicini Università degli Studi di GENOVA

Obiettivo del Programma di Ricerca

Il programma di ricerca in oggetto si propone di caratterizzare scintillatori liquidi organici puri e drogati per potenziare gli esperimenti di rivelazione di neutrini solari di bassa energia e porre le basi per nuovi esperimenti per la ricerca del rarissimo doppio decadimento beta senza neutrini (0nDBD).

I recentissimi risultati dell’esperimento Borexino ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (AQ) e in particolare gli straordinari livelli di radio-purezza raggiunti ( ~10-18 g di U e Th per g di scintillatore) dimostrano che gli scintillatori liquidi sono il mezzo ideale per realizzare rivelatori di grande massa con straordinarie proprietà di radio-purezza.

L’esperienza di Borexino pone una nuova problematica da affrontare e due nuove opportunità: la problematica è legata alla difficoltà di calibrare in energia il rivelatore senza ri-contaminarlo con elementi radioattivi indesiderati; le nuove opportunità sono quella di investigare la regione energetica sotto i 250 keV per la misura dei neutrini solari dal pp e quella di sfruttare la radio-purezza degli scinitillatori liquidi per la ricerca del 0nDBD.

Gli obiettivi scientifici di questo programma di ricerca sono quindi tre:

a) La misura degli effetti non lineari legati al quenching degli elettroni in scintillatori liquidi organici per consentire la calibrazione per mezzo delle caratteristiche spettrali dei fondi radioattivi intrinseci dello scintillatore e senza >>>

Risultati parziali attesi

In tempi recenti una nuova generazione di esperimenti di grande massa con scintillatori liquidi, ed in particolare l'esperimento Borexino, hanno dimostrato che è possibile ottenere straordinari livelli di radiopurezza (10-17 g/g o meno di Uranio e Torio, 10-18 g/g di C14)con centinaia di t di scintillatore.

Questi risultati offrono delle opportunita' inattese sia nella fisica dei neutrini solari (la misura non solo dei neutrini del Be7 ma anche quelli del CNO, del pep e del pp) sia in altri campi quali ad esempio la ricerca del doppio decadimento beta senza neutrini.

Vi sono molti progetti oggi in fase di valutazione per futuri esperimenti di questo tipo (SNO+ in Canada, LENA in Finlandia, KamLAND in Giappone), ma nessuno di questi ha ancora sviluppato le tecnogie necessarie. Solo Borexino in Italia è stato finora in grado di dimostrare queste capacità, mettendo la comunità scientifica italiana in una posizione di vantaggio.

Per poter sfruttare al meglio questi risultati, ottimizzare le possibilità di Borexino e sviluppare una nuova generazione di esperimenti per la ricerca del 0nDBD, è necessario però affrontare e risolvere alcuni problemi che sono oggetto di questa proposta di ricerca.
Un risultato positivo sulla caratterizzazione degli scintillatori qui proposta darebbe a Borexino delle opportunità aggiuntive per lo studio dello spettro dei neutrini solari. Infatti, la caratterizzazione completa della risposta >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La sorprendente radio-purezza raggiunta dall’esperimento Borexino, in alcuni casi due ordini di grandezza superiore alle attese, apre nuovi scenari sia per la fisica dei neutrini solari sia per la fisica del doppio beta.

In particolare recenti risultati pubblicati da Borexino sulla misura del flusso di neutrini solari dal 7Be, basati solo sui primi 3 mesi di presa dati, dimostrano che, acquisita la statistica necessaria, gli errori sistematici domineranno quelli statistici e che l'attuale errore statistico del 10% sarà ridotto a meno dell'1% in 1.5 anni. Una misura di questa precisione consentirebbe un test molto stringente dell'attuale modello solare, consentendo di verificare sia la nostra comprensione del funzionamento dei meccanismi di produzione di energia del Sole sia il modello LMA-MSW di oscillazione di sapore dei neutrini.

Una delle maggiori sorgenti di errori sistematici che potrebbero limitare la precisione della misura è la imperfetta conoscenza della risposta energetica del rivelatore, fortemente non lineare a causa del quenching di particelle ionizzanti. L'unico approccio efficace in grado di studiare la risposta energetica è la calibrazione. Tuttavia, una calibrazione invasiva con sorgenti ottiche o radioattive inserite all'interno del volume di scintillatore di Borexino rischierebbe di contaminare lo scintillatore, i cui livelli di radio-purezza, mai raggiunti prima in uno scintillatore liquido, sono alla >>>