The Sudbury Neutrino Observatory plus Liquid Scintillator Project. Vorstellung und Status

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1 The Sudbury Neutrino Observatory plus Liquid Scintillator Project Vorstellung und Status 1

2 Überblick Detektor und Untergrundlabor - SNO Detektor - SNO+ Detektor - SNOlab Physikalische Ziele - Geo-Neutrinos - Reaktor Neutrinos - Supernova Neutrinos - Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall - Niederenergetische Solare Neutrinos -... Status 2

3 Überblick Detektor und Untergrundlabor Physikalische Ziele Status 3

4 SNO Experiment Tiefster multi-tonnen UntergrundDetektor Cherenkov-Detektor Löste das solare Neutrino-Problem Ende der Datennahme

5 Neue Physik mit einem alten Detektor? 5

6 Neue Physik mit einem alten Detektor 6

7 SNO Detektor ~ 9500 Ø20 cm PMTs (~ 54% Abdeckung) PMT Support Structure (PSUP) Acrylic Vessel (AV) 34 m ~ 12 m ~ 18 m 22 m 7

8 SNO Detektor ~ 1 kt D2O ~ 7,4 kt ultra-pure H2O 8

9 SNO+ Detektor ~ 780 t Flüssigszintillator ~ 0.1% loading AV Hold Down Ropes nat Nd (5.6% nat. Häuf. 150Nd) ~ 7,4 kt ultra-pure H2O 9

10 Flüssigszintillator in SNO+ Flüssigszintillations-Detektoren haben schwache Energieauflösung, aber großer Isotop-Anteil möglich (Statistik) geringer Untergrund (wenig versch. Materialien, Selbst-Abschirmung) Phase mit und ohne Quelle möglich Lösungsmittel: Linear Alkylbenzene (LAB, ~ 99.6%-99.7%) Szintillator: C H 2,5-Diphenyloxazol (PPO, ~ 0,3%) 10

11 SNO+ im Vergleich Masse t, (Borexino: 300 t, KamLAND: 1 kt) Tiefe mwe, (Borexino: 3500 mwe, KamLAND: 2700 mwe) Geringer kosmogener Untergrund x10 μ/cm2/s (~ 70 μ/d) Präzisions-Messung des solaren νpep Flusses möglich Entdeckung von νcno möglich Auflösung - 54% Raumwinkel-Abdeckung, (Borexino: 30%, KamLAND: 38%) Nd-Phase: 5% bei 1 MeV, 3.5% bei 3.4 MeV (Q-Wert) 11

12 SNOlab DEAP/CLEAN 3600 alle Labore Reinraumklasse < 2000 MiniCLEAN HALO Picasso-IIB? EXO-200-Gas? SuperCDMS? DEAP-1 SNO+ Picasso-II ~ 2 km (~ 6080 mwe) tief in der Vale INCO Ltd. Creighton Mine, Greater Sudbury, Ontario 12

13 SNOlab Von der Mine in den Reinraum... 13

14 Überblick Detektor und Untergrundlabor Physikalische Ziele Status 14

15 Geo-Neutrinos _ νe aus β-zerfällen in Erdkruste und -mantel ( 232 Th, 238U, 40K) _ Geo-Neutrino Ereignis: νe+ p e+ + n Erwartete Ereignisrate: 44 Ereignisse pro Jahr / 38 Reaktor-Ereignisse Geo-Neutrino Signal und Reaktor Untergrund: 15

16 Reaktor Neutrinos Reaktor Neutrino Ereignis: Reaktoren: Pee 1- Bruce (240 km), Pickering (340 km), Darlington (360 km) 240 km Pee Pee(E): νe+ p e+ + n 340 km Pee _ 360 km Enu [MeV] 16

17 Reaktor Neutrinos Verzerrung des Spektrums durch Neutrino Oszillation (LMA) 17

18 Reaktor Neutrinos LMA Oszillations Maximum außerhalb Geo-Neutrino Spektrum 18

19 Supernova Neutrinos SNEWS: Supernova Early Warning System Koinzidenz-Messung veranlasst Warnung an astronomische Institute SNO war bis 2006 Mitglied, SNO+ wird eintreten SNO+ Signal von SN in 10 kpc Entfernung: ~ 600 Ereignisse (1/10 von SuperK) ~ ½ CC, ½ NC Verschiedene Detektionskanäle Unterscheidung von νe, νe, νμ,τ and νμ,τ 19

20 Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall _ doppelter Beta-Zerfall: (A, Z) (A, Z + 2) + 2e- + 2 νe neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall: (A, Z) (A, Z + 2) + 2e- nur möglich, wenn Neutrino massive MajoranaTeilchen 20

21 Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall Überlagerung von 2ν- und 0ν- Signal durch Energie-Auflösung Review by Elliott and Vogel hep-ph/ Auflösung 21

22 Warum eigentlich Neodym? (J.J. Gómez-Cadenas et al., arxiv: v1, (2010)) 22

23 Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall 0.1% natnd (~44kg 150Nd) 1 kt yr mv = 270 mev Events / 10 kev Erwartetes SNO+ Signal bei: (Data Background) / Background Energy [MeV] 8 B Untergrund ist gut verstanden Q-Wert Energy [MeV] 23

24 Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall SNO+ Nachweisempfindlichkeit aus Statistik Minimale Majorana Masse bei der 0νββ messbar ist 500 kg 150Nd Matrixelement: IBM-2 (2.5) 24

25 Niederenergetische Solare Neutrinos Gallium Chlorine Water pep Neutrinos: Eν = 1.44 MeV SSM pep Fluss: Unsicherheit ±1,5% 25

26 MSW-Effekt in 3 Worten... Materie- oder MSW-Effekt (Mikheyev, Smirnov, Wolfenstein) Hamiltonian für νe-ausbreitung in Materie: extra Term wegen zusätzlicher Wechselwirkung der νe über W mit den ein Sonne und Erde (Ne: e--dichte) für 2-ν-Oszillation in Vakuum: => in Oszillations-Wahrscheinlichkeit P: => P = P(Ne) 26

27 Warum pep Neutrinos? Bisher noch keine direkte Bestätigung des Materie Effekts (MSW) Materie-Vakuum-Übergang (LMA) 27

28 pep Neutrinos und... Pee neue Physik Pee θ13 Neutrino Energy [MeV] Neutrino Energy [MeV] Barger, Huber, Marfatia, hep-ph/

29 pep Neutrinos und... neue Physik Pee Pee θ13 Neutrino Energy [MeV] Barger, Huber, Marfatia, hep-ph/

30 pep und CNO Neutrinos 11C Extrapoliert von KamLAND Daten Kosmogenener 11C Untergrund keine Gefahr für SNO+ Franco, Galbiati et al., Phys. Rev. C 71:055805,

31 Solare Neutrinos (pep, CNO) Solares Neutrino Ereignis: νe+ e- νe + e- G. Orebi Gann, Collab. Meeting Feb11 31

32 Weitere Physikalische Ziele Atmosphärische Neutrinos? Proton-Zerfall? Pauli-Exclusion-Principal?... 32

33 Überblick Detektor und Untergrundlabor Physikalische Ziele Status 33

34 Timeline Installation der hold down ropes Vorbereitung des AV ( sanding & cleaning) Ein- / Ersetzen und Konfigurieren der PMTs PMT Tests Vorbereitung der Kalibrierung (Quellen, Tests, ) Mai 2012: Wasserbefüllung Okt 2012: Start LAB Befüllung (100 Tage) 27. Feb. 2013: Day Zero 34

35 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 35

36 Muon Fluss Variation of the flux of cosmic-ray muons with overburden SNO+: Borexino: KamLAND: 3.31x10-10 μ/cm2/s 3.22x10-8 μ/cm2/s 1.49x10-7 μ/cm2/s 36

37 Flüssigszintillator in SNO+ Lösungsmittel: Linear Alkylbenzene (LAB, ~ 99.6%-99.7%) Hohe Lichtausbeute ( x mehr als Wasser) Verträglich mit Acryl Sicher: hoher Flammpunkt, geringe Toxidität Preisgünstig im Vergleich C H Szintillator: 2,5-Diphenyloxazol (PPO, ~ 0,3%) C15H11NO 37

38 Neodym-LS Synthese 38

39 Supernova Neutrinos _ >99% der Energie in Typ II SN in Form von ν (ν) freigesetzt Reaktionen in SNO+ für eine 3x1053 erg SN, 10 kpc entfernt: ES: CC: NC: 39

40 Reactor Neutrinos 40

41 Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall Nachweisempfindlichkeit - Halbwertszeit Matrixelement: IBM-2 (2.5) 41

42 Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall SNO+ Doppel Beta-Spektrum (0,1% natnd) 1 yr, 56 kg 150Nd, mv = 150 mev 42

43 Solare Neutrinos (pep, CNO) derzeit: Oszillationen von 3 aktiven massiven ν sind dominanter Effekt leptonische Mischung wenn Flavour-Eigenzustände Massen-Eigenzustände: Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Matrix für 2-ν-Oszillation in Vakuum: 43

44 pep Neutrinos... Neue Physik? 44

45 Solare Neutrinos (pep, CNO) bei 3 Jahren Datennahme Backgrounds assumed at Kamland observed values plus their purification objectives for 210Bi, 40K. Negligible background from 11C at SNOLAB depth. 45

46 CNO Neutrinos 46