Borexino é um experimento de física de partículas em larga escala que coletou dados até outubro de 2021. Sua principal missão era estudar neutrinos solares de baixa energia (sub-MeV) usando o detector Borexino, o calorímetro cintilador líquido mais radio puro do mundo, localizado no Laboratori Nazionali del Gran Sasso perto de Aquila, na Itália.
A Colaboração Borexino, a equipe de pesquisa que conduz o experimento, reuniu recentemente a primeira medição experimental de neutrinos solares sub-MeV usando um detector de cintilação. Esta medida, apresentada em um artigo publicado em Physical Review Letters , poderia abrir novas possibilidades para a reconstrução híbrida de eventos de física de partículas usando assinaturas de Cherenkov e cintilação simultaneamente.

“A principal ideia por trás deste trabalho era reunir provas experimentais de que é possível usar as informações fornecidas pelos fótons de Cherenkov mesmo em um detector de cintilação monolítico”, disse Johann Martyn, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org .

Atualmente, existem dois tipos principais de detectores para estudar neutrinos, ou seja, detectores de água Cherenkov, como o detector Super-Kamiokande (SNO) e detectores de cintilador líquido, como o detector Borexino. Em detectores de Cherenkov de água, os neutrinos espalham elétrons no meio. Se esses elétrons estão se movendo mais rápido que a velocidade da luz na água, eles produzem radiação Cherenkov.

“Esta radiação Cherenkov é emitida em um cone em torno da direção do elétron, o que torna possível diferenciar entre neutrinos solares (vindos do sol) e fundo radioativo (vindo de todos os lugares do detector)”, explicou Martyn. "No entanto, como o número absoluto de fótons de Cherenkov é pequeno (~30 fótons a 3,5 MeV de energia depositada em super-Kamiokande), o limiar de baixa energia é relativamente alto em comparação com detectores de cintilação."

Em contraste com os detectores Cherenkov de água, os cintiladores líquidos produzem muito mais fótons, por meio de um processo conhecido como "cintilação". Durante a cintilação, um elétron induzido por neutrinos excita as moléculas cintiladoras, que por sua vez produzem fótons. Em Borexino, isso resulta na produção de aproximadamente 500 fótons a 1 MeV de energia depositada.

"Isso torna possível investigar neutrinos solares com energias muito mais baixas e, como tal, investigar os canais de produção de fusão desses neutrinos solares de baixa energia", disse Martyn. “Ao mesmo tempo, no entanto, os fótons de cintilação são emitidos isotropicamente, o que significa que não há mais informação direcional”.

Embora os cintiladores líquidos ainda possam produzir fótons em baixas energias, a proporção relativa desses fótons é tão pequena que não pode ser usada para realizar análises padrão de evento a evento. Por exemplo, em baixas energias, o detector Borexino produz aproximadamente ~1 fóton de Cherenkov por evento de neutrino. Em seu artigo recente, Martyn e seus colegas usaram um método estatístico para resumir os fótons de Cherenkov produzidos em todos os eventos de neutrinos registrados pelo detector.

"Usando nosso método, mesmo que tenhamos apenas 1 fóton Cherenkov por evento de neutrino, temos cerca de 10.000 eventos de neutrinos no total, dando-nos também cerca de 10.000 fótons de Cherenkov que podem ser usados ​​em análises", disse Martyn. “Isso nos permite combinar a força de ambos os tipos de detectores:olhando para neutrinos de baixa energia (desencadeados pela luz de cintilação), mas usando as informações direcionais dos neutrinos solares para diferenciar os sinais relacionados a eventos da radiação de fundo”.

Por si só, a medição recente coletada pela Colaboração Borexino não é particularmente impressionante, especialmente quando comparada às análises convencionais de Borexino baseadas apenas em luz de cintilação. No entanto, este estudo recente pode ter implicações importantes, pois demonstra experimentalmente que realizar uma análise de neutrinos híbridos é de fato possível.

"O Borexino é um detector de cintilador líquido (LS) com ~280t de LS em um volume esférico de 6,5m de raio e ~2000 tubos fotomultiplicadores (PMTs)", explicou Martyn. "Se um neutrino solar interage no cintilador, ele espalha um elétron, que por sua vez excita as moléculas do cintilador. Essas moléculas então emitem fótons que são detectados pelos PMTs."

A quantidade de fótons de cintilação produzidos pelo Borexino depende da energia do elétron espalhado pelos neutrinos solares. Como resultado, os pesquisadores podem traduzir matematicamente o número de acertos de prótons nos PMTs em uma energia de elétron.

"O problema é que o fundo radioativo também produz elétrons, que excitam as moléculas cintilantes da mesma forma", explicou Martyn. "A análise normal do Borexino é, portanto, realizada observando o espectro de energia detectado de muitos eventos. A fusão de hidrogênio dentro do sol produziu neutrinos com energias diferentes e isso produz um certo espectro de energia que parece diferente para neutrinos solares e para fundo. Comparando os dados medidos espectro com o espectro conhecido de todos os neutrinos solares possíveis e espectros de fundo radioativo torna possível inferir o número de neutrinos."

A nova abordagem estatística implementada por Martyn e seus colegas estava no centro da medição híbrida bem-sucedida que eles detectaram. Em vez de olhar diretamente para o espectro de energia, a equipe examinou a distribuição de acertos de PMT para muitos eventos de neutrinos, em relação à posição do sol.

"Como os neutrinos vêm do sol e os elétrons são espalhados principalmente na mesma direção de onde vieram os neutrinos, podemos ver a contribuição dos fótons de Cherenkov como um pequeno pico, enquanto os fótons de cintilação, bem como os fundos radioativos, são isotrópicos e produzir uma distribuição plana."

A análise descrita no artigo recente da equipe inclui eventos em uma faixa de energia entre 0,5 e 0,7 MeV. Esta é a faixa de energia na qual Martyn e seus colegas esperavam observar o maior número de neutrinos em proporção à radiação de fundo.

Os eventos que analisaram foram todos registrados durante a primeira fase do experimento Borexino, de 2007 a 2011. A principal razão para isso é que durante esse período a colaboração teve acesso a dados de calibração, necessários para estimar corretamente o número de neutrinos interagindo com o cintilador.

De fato, enquanto a equipe mede efetivamente os fótons de Cherenkov, eles precisam traduzir essa medição no número de eventos de neutrinos. Para isso, eles precisam saber o número de fótons de Cherenkov que seriam produzidos para cada evento de neutrino, que está relacionado aos dados de calibração.

“O Borexino é um ambiente muito adverso para contar fótons de Cherenkov, pois nunca foi construído ou esperado para realizar tal tarefa”, disse Martyn. "Então, a conquista mais notável é que mostramos que a informação direcional é acessível mesmo neste detector de cintilação monolítico."

No futuro, a medição coletada pela Borexino Collaboration pode abrir caminho para novos experimentos de física de partículas híbridas que combinam os pontos fortes dos detectores de cintilação e Cherenkov. Como seu resultado é experimental e não baseado apenas em simulações, demonstra claramente a viabilidade desses experimentos híbridos.

Em seus próximos estudos, Martyn e seus colegas planejam se concentrar em um tipo de neutrinos chamados neutrinos do ciclo CNO. Estes são neutrinos produzidos durante o ciclo CNO, um processo em que o hidrogênio é fundido em hélio, por meio de uma reação catalítica entre carbono, nitrogênio e oxigênio.

Prevê-se que o ciclo CNO contribua para aproximadamente 1% de toda a fusão de hidrogênio no sol. Os neutrinos produzidos durante este processo, portanto, possuem estatísticas baixas.

"Em Borexino, também temos o problema do fundo radioativo do 210Bi, cujo espectro se parece muito com o espectro dos neutrinos do ciclo CNO", acrescentou Martyn. "Mesmo que o Borexino seja ultra-rádio puro, a combinação das baixas estatísticas de neutrinos e a semelhança dos espectros de energia entre o sinal e o fundo de 210Bi tornam uma análise de neutrinos CNO desafiadora. Em um de nossos trabalhos anteriores, encontramos evidências experimentais de neutrinos produzidos no ciclo de fusão CNO. Como próximo passo em nossa pesquisa, queremos tentar incluir as informações direcionais como um complemento à análise padrão nesta região de energia CNO (~0,9 a 1,4 MeV)." + Explorar mais

Equipe da Borexino mostra que é possível ter sensibilidade direcional e energética ao estudar neutrinos solares

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