This is the presentation I gave on my graduation. I graduated with a bachelor of Science in Physics. The goal of my thesis is to measure the interaction rate of 7Be solar neutrino flux in the detector Borexino during Phase II. Borexino is a huge liquid scintillator detector located at Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy.

1. Università degli Studi di Milano Facoltà di Scienze e Tecnologie
Corso di Laurea Triennale in Fisica
Anno Accademico 2012 - 2013
Titolo: Misura del tasso di interazione dei neutrini solare da 7
𝐵𝑒
nella Fase II dell’esperimento Borexino
Relatore: Lino Miramonti
Correlatore: Barbara Caccianiga
Candidato: Lorenzo Donegà
Matr. 647539
Struttura: • Neutrino solare e Borexino
• Selezione dei dati
• Studio della stabilità del rivelatore
• Misura di ν( 7
𝐵𝑒) con fit spettrale

2. Il Sole produce energia attraverso reazioni termonucleari di fusione, principalmente con il ciclo pp: 4p → 4
𝐻𝑒+2e++2ν 𝑒
Reazione da 7
𝐵𝑒: 7
𝐵𝑒+e-→ 7
𝐿𝑖+ν 𝑒
Reazione a due corpi → neutrino monocromatico Eν= 862 keV
Flusso ν da 7
𝐵𝑒 ≈ 7% Flusso totale ν solare
Il Sole produce solo neutrini elettronici ν 𝑒
Esperimenti radiochimici come Homestake e Gallex/GNO e Cerenkov (SuperKamiokande, SNO) osservano
meno neutrini solare di quelli attesi.
Ipotesi dell’OSCILLAZIONE del NEUTRINO nella materia confermata.
Un neutrino viene creato e
rivelato come autostato di
sapore νe , νμ , ντ ,
ma si propaga come autostato
di massa ν1 , ν2 , ν3 .
Neutrino Solare e Borexino

3. • Borexino è un grande rivelatore a scintillazione
• Installato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), prende dati dal
Maggio 2007
• 278 ton di scintillatore liquido PPO in pseudodecumene (PC)
• Sfera di nylon di raggio = 4.25 m, ~75 ton volume fiduciale
• 2200 tubi fotomoltiplicatori (PMT) su sfera d’acciaio di raggio 6.85 m
Obiettivo: misurare ν solare E < 1 MeV, in particolare da 7Be attraverso
SCATTERING su ELETTRONI νx + e- → νx + e-
Il ν trasferisce parte della sua energia all’elettrone di rinculo:
Te = Eν-E’
ν =
Eν
1+
𝑚 𝑒 𝑐2
𝐸ν 1−cos θ
L’elettrone ha spettro continuo, anche se il ν e’ monocromatico.
Le interazioni del neutrino da7Be in Bx secondo il Modello Solare Standard
sono decine al giorno per 100 t di scintillatore.
Radiopurezza dello scintillatore.
Neutrino Solare e Borexino

4. Il debole segnale di neutrino richiede bassi livelli di radioattività nello scintillatore e purezza dei materiali usati.
• 20 anni di ricerca e sviluppo di tecniche di purificazione dello scintillatore (distillazione, water extraction).
• I valori raggiunti per i contaminanti 238U e 232Th sono 10-18 g/g, migliori di quelli richiesti (10-16 g/g).
Il fondo residuo si descrive come:
• Fondo interno: dato dai contaminanti dello scintillatore. Importanti per ν(7Be): 14C, 210Po, 210Bi, 85Kr.
• Fondo esterno: eventi generati all’esterno dello scintillatore. γ da PMTs
• Fondo di μ cosmici e isotopi indotti da μ: muoni che passano nello schermo depositano energia simile a ν da
7Be.
• Nella Fase I (Maggio 2007 – Maggio 2010) Borexino ha misurato per la prima volta il tasso in interazione di ν(7Be)
con precisione del 5%.
• Successivamente si è attuata una campagna di purificazione dello scintillatore (Maggio 2010 – Agosto 2011).
Attualmente si è nella Fase II (inizio Gennaio 2012) e non sono ancora stati pubblicati dei risultati sulla misura di ν( 7
𝐵𝑒).
E’ importante verificare l’effettiva riduzione dei fondi e la loro stabilità nel tempo.
Neutrino Solare e Borexino

5. Conversione in energia E
(≈ 500 fotoni/MeV)Dati presi da Gennaio 2012 a Giugno 2013, organizzati in 3 periodi.
Tagli standard: servono per massimizzare il rapporto segnale/rumore.
• μ cosmici e isotopi indotti. Riduco i μ grazie a
rivelatore Cerenkov. Riduco gli isotopi indotti con
interdizione per 300 ms.
• Evento singolo. Richiedo un singolo evento di
scintillazione nel gate.
• Eliminazione eventi in coincidenza.
• Eliminazione rumore elettronico.
• Taglio sul volume fiduciale (FV). Selezione di
volume nello scintillatore con fondo esterno
fortemente ridotto. R < 3 m. 𝑧 < 1.67 m.
• Discriminazione α/β. Taglio alcuni eventi α grazie
a differente forma dell’impulso di scintillazione.
Selezione dei dati
I tagli standard
• Trigger: 25 PMTs danno segnale in 99 ns  Salvo tempo e carica associati al segnale in un gate di 16.5 μs
• Costruisco lo spettro sulla grandezza Np (n° PMTs che vedono almeno un fotone in ingresso)
• Elimino dati a bassa energia a causa del 14
𝐶, Np < 50.
1 MeV
I tagli più importanti sono quelli sui μ e sul volume fiduciale,
grazie ai quali riconosco il segnale di neutrino da 7Be.

6. Lo spettro dopo i tagli standard. Non si rimuovono tutti i fondi.
Riconosco i fondi principali del segnale di neutrino da 7
𝐵𝑒.
• Np < 100, questa regione è dominata dal 14
𝐶, decade β
con Q=156 keV, τ=8270 anni. Non eliminabile perché fa
parte della struttura chimica del PC e PPO.
• 100 < Np < 200, 210
𝑃𝑜, α di 5.3 MeV, τ=200 giorni.
Quenching lo sovrappone a ν( 7
𝐵𝑒). Non è in equilibrio
con 210
𝑃𝑏 e 210
𝐵𝑖, forse contamina i tubi e viene
trasportato nello scintillatore.
• 200 < Np < 300, caratteristica «spalla» del ν( 7
𝐵𝑒).
• 100 < Np < 300, 85
𝐾𝑟, β con Q=687 keV, τ=15 anni.
210
𝐵𝑖, β con Q=1.6 MeV, τ=7 giorni. Spettro simile al
segnale di ν( 7
𝐵𝑒).
• 300 < Np < 600, 11
𝐶 indotto da μ cosmici, decade β con
τ=30 min. Continuamente rigenerato.
• 600 < Np, fondo esterno.
Selezione dei dati

7. In primo luogo studio la stabilità del rivelatore osservando l’evoluzione dei conteggi nel tempo.
In base ai fondi presenti, divido lo spettro in intervalli di energia («finestre»).
Analisi dei conteggi nelle finestre
Selezione dei dati
Con questa analisi non ho informazioni assolute, ma solo un risultato qualitativo.

8. Conclusioni: Sostanziale stabilità dei fondi, tranne nelle
finestre 2 e 4.
• Finestra 2: decadimento atteso del polonio
• Finestra 4: lieve diminuzione del bismuto
3
Conteggi da 210Bi, 85Kr, ν(7Be)
4
Conteggi da 210Bi, ν(7Be)
5
Conteggi da 11C
6
Conteggi da fondo esterno
Selezione dei dati
1
Conteggi da 210Bi, 85Kr, ν(7Be)
2
Conteggi da 210Po

9. Studio del fondo di 210
𝑃𝑜
Il 210
𝑃𝑜 (τ ≈ 200 giorni) è un isotopo della catena dell’ 238
𝑈. E’ il fondo più presente in Borexino dopo il 14
𝐶.
Probabilmente presente dalla contaminazione degli impianti di gestione dei liquidi.
Nella Fase I i conteggi del polonio erano molto alti nel volume fiduciale (≈ 1000 cpd/100 t).
Fit del picco del polonio con una gaussiana.
Conteggi del polonio fortemente ridotti
nella Fase II e osservo il suo decadimento.
Fit dei conteggi con funzione esponenziale, andamento atteso del
decadimento. Il risultato del fit è:
A+B𝑒−
𝑡
τ
Conclusioni: decadimento esponenziale con τ = 197.6
± 4.9 giorni, in accordo il valore atteso 199.6 giorni,
più un termine costante A = 4.7 ± 2.8 cpd/100t.
Risultato consistente con presenza di una piccola
parte del polonio da catena con 210
𝑃𝑏 e 210
𝐵𝑖.
Selezione dei dati

10. Misura di ν( 7
𝐵𝑒) con fit spettrale
Lo spettro che ho usato è quello che risulta dai tagli standard. Il fitter è un programma in C++ usato per l’analisi
spettrale in Borexino.
Ingressi del fitter:
Il fit dello spettro è necessario per misurare il segnale del ν( 7
𝐵𝑒) isolandolo dai fondi non rimossi dai tagli.
• Spettro
• Parametri che descrivono lo scintillatore
• Forma dello spettro delle componenti attese (fondi, ν)
Parametri liberi del fitter: • Tassi d’interazione di ν e fondi
• Conversione della scala d’energia

11. Misura di ν( 7
𝐵𝑒) con fit spettrale
Risultato fit spettrale del tasso del neutrino solare da 7
𝐵𝑒 su dati da 1 Gennaio 2012 al 1 Giugno 2013:
R( 7
𝐵𝑒) = 46.3 ± 2.1 cpd/100 t
Questo valore è in ottimo accordo con la misura di ν( 7
𝐵𝑒) della FASE I 46.0 ± 1.5 (stat) (sist) cpd/100t
e conferma la soluzione delle oscillazioni del neutrino MSW-LMA (senza oscillazioni attesi 74 ± 4 cpd/100t).
−1.6
+1.5
Il fit spettrale permette di quotare i fondi del
segnale di neutrino da 7
𝐵𝑒:
• Conteggi di 210
𝐵𝑖 20.1 ± 2.6 cpd/100t 
rispetto alla Fase I (≈ 40 cpd/100t) si sono
ridotti della metà
• Conteggi di 85
𝐾𝑟 7.6 ± 2.6 cpd/100t 
rispetto alla Fase I (≈ 30 cpd/100t) la
presenza di krypton è fortemente ridotta

12. Misura di ν( 7
𝐵𝑒) con fit spettrale
Studio la presenza di eventuali errori sistematici sulla misura di ν( 7
𝐵𝑒) associati al periodo di presa dati.
Tutti i valori sono entro l’errore statistico
 Ritengo che l’errore sistematico
associato al periodo sia 0
• Si osserva che il bismuto decresce nel
tempo (conferma l’analisi dei conteggi).
• Variazione totale -12.0 ± 6.2 cpd/100t.
• Possibile spiegazione: contaminazione
legata a particolato che si deposita col
tempo.
I risultati dei periodi 10 e 11 sono consistenti
con lo 0. Il risultato del periodo 9 è dato
possibilmente da rumore elettronico che il
fitter confonde con segnale di ν( 7
𝐵𝑒).
1/2012 – 6/2013
Diviso in 3 periodi ≈ uguali
Risultato del fit nel tempo per il
segnale da ν(7Be)
Risultato del fit nel tempo per il bismuto Risultato del fit nel tempo per il krypton

13. Misura di ν( 7
𝐵𝑒) con fit spettrale
Studio la presenza di eventuali errori sistematici sulla misura di ν( 7
𝐵𝑒) associati alla procedura di fit.
• Con e senza taglio di discriminazione su α/β
• Cambiando l’intervallo di fit
Quantifico l’errore sistematico associato
al fit nel 2.6%.
Concludo che la mia misura del tasso di neutrino solare da 7
𝐵𝑒 è 46.3 ± 2.1 ± 1.2 cpd/100 t

14. Conclusioni
Dal mio lavoro in questa tesi posso concludere che il risultato del tasso di interazione del neutrino solare da 7
𝐵𝑒,
per i dati disponibili della Fase II di Borexino (Gennaio 2012 – Giugno 2013) è 46.3 ± 2.1 ± 1.2 cpd/100 t, in accordo
con il valore pubblicato per la Fase I.
Sia il segnale di neutrino, sia i fondi radioattivi sono stabili nel tempo.
Dallo studio condotto ho trovato che i livelli dei fondi di bismuto e krypton sono stati fortemente ridotti dalla
campagna di purificazione dello scintillatore.
La precisione della mia misura nella Fase II è del 5%, confrontabile con quella del valore pubblicato della Fase I.
In prospettiva si può aumentare la precisione al 3% nella Fase II includendo altri dati (fino a 2015) per ridurre
l’errore statistico e grazie alla nuova campagna di calibrazione prevista nel 2015 per ridurre l’errore sistematico.