Borexino est une expérience de physique des particules à grande échelle qui a recueilli des données jusqu'en octobre 2021. Sa mission principale était d'étudier les neutrinos solaires à faible énergie (sous-MeV) à l'aide du détecteur Borexino, le calorimètre à scintillateur liquide le plus radio-pur au monde, situé au Laboratori Nazionali del Gran Sasso près d'Aquila, en Italie.

La collaboration Borexino, l'équipe de recherche menant l'expérience, a récemment réalisé la première mesure expérimentale de neutrinos solaires inférieurs au MeV à l'aide d'un détecteur à scintillation. Cette mesure, présentée dans un article publié dans Physical Review Letters , pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la reconstruction hybride d'événements de physique des particules en utilisant simultanément les signatures de Cherenkov et de scintillation.

"L'idée principale derrière ce travail était de rassembler des preuves expérimentales qu'il est possible d'utiliser les informations fournies par les photons Cherenkov même dans un détecteur à scintillation monolithique", a déclaré Johann Martyn, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, à Phys.org. .

Actuellement, il existe deux principaux types de détecteurs pour l'étude des neutrinos, à savoir les détecteurs Cherenkov à eau, comme le détecteur Super-Kamiokande (SNO) et les détecteurs à scintillateur liquide, comme le détecteur Borexino. Dans les détecteurs Cherenkov à eau, les neutrinos diffusent des électrons dans le milieu. Si ces électrons se déplacent plus vite que la vitesse de la lumière dans l'eau, ils produisent un rayonnement Cherenkov.

"Ce rayonnement Cherenkov est émis dans un cône autour de la direction des électrons, ce qui permet de différencier les neutrinos solaires (provenant du soleil) du fond radioactif (provenant de partout dans le détecteur)", a expliqué Martyn. "Cependant, comme le nombre absolu de photons Cherenkov est faible (~ 30 photons à 3,5 MeV d'énergie déposée dans le super-Kamiokande), le seuil de faible énergie est relativement élevé par rapport aux détecteurs à scintillation."

Contrairement aux détecteurs Cherenkov à eau, les scintillateurs liquides produisent beaucoup plus de photons, grâce à un processus connu sous le nom de "scintillation". Pendant la scintillation, un électron induit par un neutrino excite les molécules de scintillateur, qui à leur tour produisent des photons. À Borexino, cela se traduit par la production d'environ 500 photons à une énergie déposée de 1 MeV.

"Cela permet d'étudier les neutrinos solaires avec des énergies beaucoup plus faibles et ainsi d'étudier les canaux de production par fusion de ces neutrinos solaires de basse énergie", a déclaré Martyn. "En même temps, cependant, les photons de scintillation sont émis de manière isotrope, ce qui signifie qu'il n'y a plus d'informations directionnelles."

Alors que les scintillateurs liquides peuvent encore produire des photons à basse énergie, le rapport relatif de ces photons est si petit qu'il ne peut pas être utilisé pour effectuer des analyses standard événement par événement. Par exemple, à basse énergie, le détecteur Borexino produit environ ~1 photon Cherenkov par événement neutrino. Dans leur récent article, Martyn et ses collègues ont utilisé une méthode statistique pour résumer les photons Cherenkov produits dans tous les événements de neutrinos enregistrés par le détecteur.

"En utilisant notre méthode, même si nous n'avons qu'un seul photon Cherenkov par événement neutrino, nous avons environ 10 000 événements neutrinos au total, ce qui nous donne également environ 10 000 photons Cherenkov qui peuvent être utilisés dans les analyses", a déclaré Martyn. "Cela nous permet de combiner la force des deux types de détecteurs :regarder les neutrinos de basse énergie (déclenchés par la lumière de scintillation) mais utiliser les informations directionnelles des neutrinos solaires pour différencier les signaux liés aux événements du rayonnement de fond."

En soi, la mesure récente recueillie par la collaboration Borexino n'est pas particulièrement impressionnante, surtout si on la compare aux analyses Borexino conventionnelles basées uniquement sur la lumière de scintillation. Néanmoins, cette étude récente pourrait avoir des implications importantes, car elle démontre expérimentalement qu'il est en fait possible d'effectuer une analyse des neutrinos hybrides.

"Borexino est un détecteur à scintillateur liquide (LS) avec ~ 280 t de LS dans un volume sphérique de 6,5 m de rayon et ~ 2 000 tubes photomultiplicateurs (PMT) ", a expliqué Martyn. "Si un neutrino solaire interagit dans le scintillateur, il diffuse un électron, qui à son tour excite les molécules du scintillateur. Ces molécules émettent alors des photons qui sont détectés par les PMT."

La quantité de photons de scintillation produits par Borexino dépend de l'énergie de l'électron diffusé par les neutrinos solaires. En conséquence, les chercheurs peuvent traduire mathématiquement le nombre d'impacts de protons sur les PMT en une énergie d'électron.

"Le problème est que le fond radioactif produit également des électrons, qui excitent tout de même les molécules de scintillateur", a expliqué Martyn. "L'analyse Borexino normale est donc effectuée en examinant le spectre d'énergie détecté de nombreux événements. La fusion d'hydrogène à l'intérieur du soleil a produit des neutrinos d'énergies différentes, ce qui produit un certain spectre d'énergie qui semble différent pour les neutrinos solaires et pour le bruit de fond. En comparant les mesures spectre avec le spectre connu de tous les neutrinos solaires possibles et les spectres de fond radioactifs permet de déduire le nombre de neutrinos."

La nouvelle approche statistique mise en œuvre par Martyn et ses collègues était au cœur de la mesure hybride réussie qu'ils ont détectée. Au lieu de regarder directement le spectre d'énergie, l'équipe a examiné la distribution des impacts PMT pour de nombreux événements de neutrinos, par rapport à la position du soleil.

"Comme les neutrinos proviennent du soleil et que les électrons sont diffusés principalement dans la même direction que celle d'où proviennent les neutrinos, nous pouvons voir la contribution des photons Cherenkov sous la forme d'un petit pic, tandis que les photons de scintillation ainsi que les fonds radioactifs sont isotropes et produire une distribution plate."

L'analyse décrite dans le récent article de l'équipe comprend des événements dans une plage d'énergie comprise entre 0,5 et 0,7 MeV. Il s'agit de la plage d'énergie à laquelle Martyn et ses collègues s'attendaient à observer le plus grand nombre de neutrinos par rapport au rayonnement de fond.

Les événements qu'ils ont analysés ont tous été enregistrés au cours de la première phase de l'expérience Borexino, qui s'étend de 2007 à 2011. La principale raison en est que pendant cette période, la collaboration a eu accès aux données d'étalonnage, dont elle avait besoin pour estimer correctement le nombre de neutrinos. interagissant avec le scintillateur.

En fait, alors que l'équipe mesure efficacement les photons Cherenkov, elle doit ensuite pouvoir traduire cette mesure en nombre d'événements de neutrinos. Pour ce faire, ils doivent connaître le nombre de photons Cherenkov qui seraient produits pour chaque événement neutrino, qui est lié aux données d'étalonnage.

"Borexino est un environnement très défavorable pour compter les photons Cherenkov, car il n'a jamais été construit ou prévu pour effectuer une telle tâche", a déclaré Martyn. "Ainsi, la réalisation la plus remarquable est que nous avons montré que les informations directionnelles sont accessibles même dans ce détecteur à scintillation monolithique."

À l'avenir, les mesures recueillies par la collaboration Borexino pourraient ouvrir la voie à de nouvelles expériences hybrides de physique des particules combinant les forces de la scintillation et des détecteurs Cherenkov. Comme leur résultat est expérimental et non basé uniquement sur des simulations, il démontre clairement la faisabilité de ces expériences hybrides.

Dans leurs prochaines études, Martyn et ses collègues prévoient de se concentrer sur un type de neutrinos appelé neutrinos du cycle CNO. Ce sont des neutrinos produits pendant le cycle CNO, un processus où l'hydrogène est fusionné en hélium, via une réaction catalytique entre le carbone, l'azote et l'oxygène.

Le cycle CNO devrait contribuer à environ 1% de toute la fusion d'hydrogène dans le soleil. Les neutrinos produits au cours de ce processus ont donc des statistiques faibles.

"A Borexino, nous avons également le problème du fond radioactif du 210Bi dont le spectre ressemble beaucoup au spectre des neutrinos du cycle CNO", a ajouté Martyn. "Même si Borexino est ultra radio-pur, la combinaison des faibles statistiques de neutrinos et la similitude des spectres d'énergie entre le signal et le fond 210Bi rendent difficile l'analyse des neutrinos CNO. Dans l'un de nos travaux précédents, nous avons trouvé des preuves expérimentales de neutrinos produits dans le cycle de fusion CNO. Dans une prochaine étape de nos recherches, nous voulons essayer d'inclure les informations directionnelles en complément de l'analyse standard dans cette région d'énergie CNO (~ 0,9 à 1,4 MeV)." + Explorer plus loin

L'équipe de Borexino montre qu'il est possible d'avoir une sensibilité directionnelle et énergétique lors de l'étude des neutrinos solaires

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