29.10.2010, Belina von Krosigk SNO plus Liquid Scintillator Project 1

The Sudbury Neutrino Observatory plus Liquid Scintillator Project

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● SNO+ Detektor im SNOLAB

● Physikalische Ziele- Geo-Neutrinos- Reaktor Neutrinos- Supernova Neutrinos- Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall- Niederenergetische Solare Neutrinos- ...

● Status

Überblick

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● SNO+ Detektor im SNOLAB

● Physikalische Ziele

● Status

Überblick

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Detektor und Untergrundlabor

~ 2 km (~ 6000 mwe) tief in der „Vale INCO Ltd.“ Creighton Mine,

Greater Sudbury, Ontario

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SNOLAB

SNO+

DEAP-1

Picasso-II

Picasso-IIB ?

EXO-200-Gas ? SuperCDMS ?

MiniCLEAN

DEAP/CLEAN 3600

HALO

alle Labore Reinraumklasse < 2000

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SNOLAB

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SNOLAB

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SNO Detektor

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SNO Detektor

~ 12 m

~ 18 m

22 m

34 m

PMT Support Structure (PSUP)

Acrylic Vessel(AV)

~ 9500 PMTs(Ø 20 cm)

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SNO Detektor

~ 1 kt D2O

~ 7,4 ktultra-pure H2O

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SNO+ Detektor

~ 1 kt LiquidScintillator

~ 1 t natNd(≙ 56 kg 150Nd)

~ 7,4 ktultra-pure H2O

AV HoldDown Ropes

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SNO+ Detektor

~ 1 kt LiquidScintillator

~ 1 t enrNd(≙ 500 kg 150Nd)

~ 7,4 ktultra-pure H2O

AV HoldDown Ropes

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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

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Flüssigszintillator in SNO+

● Lösungsmittel: Linear Alkylbenzene (LAB, ~ 99,6%)

● Szintillator: 2,5-Diphenyloxazol (PPO, ~ 0,3%)

● ββ Isotop: Neodym 150Nd (Nd, ~ 0,1%)

C15H11NO

C H

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● SNO+ Detektor im SNOLAB

● Physikalische Ziele

● Status

Überblick

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Physikalische Ziele

● Geo-Neutrinos

● 240 km Baseline Reaktor Neutrino Oszillationen(LMA Bestätigung)

● Supernova Neutrinos

● neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall

● niederenergetische solare Neutrinos (pep, CNO)

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Geo-Neutrinos

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Geo-Neutrinos

● aus β-Zerfällen in Erdkruste und -mantel (va. aus 232Th-, 238U-Zerfallsreihen)

● bieten Möglichkeit gesamte Wärme aus radioaktiven Zerfällen in Erde zu messen

50%-100% des totalen Wärmefluss der Erde

_ν

e

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Geo-Neutrinos

● Geo-Neutrino Ereignis: + p → e+ + n

● Erwartete Ereignisrate: 44 Ereignisse pro a (1000 CH2) / 38 Reaktor-Ereignisse

● Geo-Neutrino Signal und Reaktor Untergrund:

_ν

e

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Reaktor Neutrinos

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0 2 4 6 Enu [MeV]

Reaktor Neutrinos

● Reaktor Neutrino Ereignis: + p → e+ + n

● Reaktoren: Bruce (240 km), Pickering (340 km), Darlington (360 km)

● Pee(E):

_ν

e

240 km

340 km

360 km

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Reaktor Neutrinos

„Spectral Distortion“ durch Neutrino Oszillation (LMA)

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Reaktor Neutrinos

LMA Oszillations Maximum außerhalb Geo-Neutrino Spektrum

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Supernova Neutrinos

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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:

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Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall

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Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall

● doppelter Beta-Zerfall: (A, Z) → (A, Z + 2) + 2e- + 2

● neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall: (A, Z) → (A, Z + 2) + 2e-

_ν

e

nur möglich, wenn Neutrino massive Majorana-Teilchen

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Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall

Spektrum des Doppelten Beta-Zerfalls (idealisiert)

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Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall

Überlagerung von 2ν- und 0ν- Signal durch Energie-Auflösung

Review by Elliott and Vogelhep-ph/0202264

Auflösung

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Warum eigentlich Neodym?

(J.J. Gómez-Cadenas et al., arXiv:1010.5112v1, (2010))

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Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall

SNO+ Doppel Beta-Spektrum (0,1% enrNd)

1 yr, 500 kg 150Nd, mv = 150 meV

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Neutrinoloser Doppelter Beta-Zerfall

SNO+ Nachweisempfindlichkeit aus Statistik

2ν/0ν Zerfallsraten aus Elliott & Vogel, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 52, 115 (2002)

Neu

trin

o M

ass

e [

meV

]

Neu

trin

o M

ass

e [

meV

]

Minimale Majorana Masse bei der 0νββ messbar ist

500 kg 150Nd 56 kg 150Nd

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Niederenergetische Solare Neutrinos

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Solare Neutrinos (pep, CNO)

Kleine theoretische Einführung...

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Solare Neutrinos (pep, CNO)

derzeit: Oszillationen von 3 aktiven massiven ν sind dominanter Effekt

leptonische Mischung wennFlavour-Eigenzustände ≠ Massen-Eigenzustände:

Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Matrix

für 2-ν-Oszillation in Vakuum: ≈

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Solare Neutrinos (pep, CNO)

Materie- oder MSW-Effekt(Mikheyev, Smirnov, Wolfenstein)

Hamiltonian für νe-Ausbreitung in

Materie:

=> in Oszillations-Wahrscheinlichkeit P:

extra Term wegen zusätzlicher Wechselwirkung der νe über W mit den e-

in Sonne und Erde

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Solare Neutrinos (pep, CNO)

Materie-Vakuum-Übergang (LMA)

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Warum pep Neutrinos?

● pep Neutrinos: Eν = 1.44 MeV

● SSM pep Fluss: Unsicherheit ±1,5%

Gallium Chlorine Water

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pep Neutrinos

Materie-Vakuum-Übergang (LMA)

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pep Neutrinos...

… und θ13

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pep Neutrinos... Neue Physik?

„Mass-Varying Neutrinos“

Fardon, Nelson, Weiner(hep-ph/0309800):Kopplung von ν mit skalaremFeld führt zu ν deren Massemit dem Hintergrund-Feldvariiert (z.B. von anderen ν)

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pep Neutrinos

Kosmogener Untergrund 11C

Bilder: KamLAND Proposal

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Solare Neutrinos (pep, CNO)

● Solares Neutrino Ereignis: νe+ e- → ν

e + e-

bei 3 Jahren Datennahme

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Proton-Zerfall?, Pauli-Exclusion-Principal?, ...

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● SNO+ Detektor im SNOLAB

● Physikalische Ziele

● Status

Überblick

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Day Zero

Tue 8/7/12

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Neodym-LS Synthese

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Muon Fluss

Variation of the flux of cosmic-ray muons with overburden