Real time solar neutrino spectroscopy with Borexino phase 2

• Applicants: Professor Dr. Lothar Oberauer; Professor Dr. Michael Wurm; Professor Dr. Kai Zuber
• Subject Area: Nuclear and Elementary Particle Physics, Quantum Mechanics, Relativity, Fields
• Term: from 2016 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 284839683

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Das Borexino-Experiment im Gran-Sasso Untergrundlabor hat von 2007 bis 2021 solare Neutrinos über die elastische Neutrino-Elektron-Streuung spektroskopisch nachgewiesen. Im Laufe der Jahre konnten so alle relevanten thermonuklearen Fusionsreaktionen in der Sonne, die unter Emission von Neutrinos verlaufen, quantitativ untersucht werden. Damit konnte Borexino wichtige Beiträge zu unserem Verständnis der Abläufe in der Sonne liefern. Insbesondere konnte das Verzweigungsverhältnis der pp-I zu der pp-II Kette bestimmt werden und das Modell der höheren Metallizität favorisiert werden. Mit dem erstmaligen Nachweis der seltenen Neutrinos aus dem CNO-Zyklus konnte Borexino den zur Freisetzung stellarer Energie im Universum wichtigsten Mechanismus experimentell beweisen und frühere Aussagen zur Metallizität der Sonne, die aufgrund der Messungen der Neutrinos aus den pp- Ketten gewonnen wurden, bestätigen. Aus dem Vergleich der vorhergesagten Neutrino-Flüsse mit den experimentellen Ergebnissen konnte die Überlebenswahrscheinlichkeit solarer Neutrinos als Funktion ihrer Energie bestimmt werden und das Szenario des MSW-Effekts bei großer Mischung bestätigt werden. Dazu haben wir im Rahmen dieser Förderung durch das DFG durch die Entwicklung neuer Analysemethoden zur Messung des Spektrums solarer 8B-Neutrinos mit beigetragen. Damit konnte die statistische Genauigkeit durch Erhöhung des zur Verfügung stehenden „fiducial volume“ erhöht und systematische Unsicherheiten durch ein neues Verfahren zur Identifikation kosmogener Hintergrundbeiträge gemindert werden. Die Übereinstimmung unserer Ergebnisse mit den Vorhersagen des MSW-Effekts besagt, dass die Anordnung der Masseneigenzustände n1,2 einer normalen Hierarchie folgt, i.e. m2 > m1.

Publications

• “Comprehensive measurement of pp-chain solar neutrinos”, Nature vol. 562, 505-510 (2018)
  M. Agostini et al., Borexino coll.
  
• “Simultaneous precision spectroscopy of pp, 7Be, and pep solar neutrinos with Borexino phase-II, Phys. Rev. D 100, 082004 (2019)
  M. Agostini et al., Borexino coll.
  
• “Experimental evidence of neutrinos produced in the CNO fusion cycle in the sun”, Nature vol. 587, 577-590 (2020)
  M. Agostini et al., Borexino coll.
  
• “Improved measurement of 8B solar neutrinos with 1.5 kt y of Borexino exposure”, Phys. Rev. D 101, 062001 (2020)
  M. Agostini et al., Borexino coll.
  
• “Sensitivity to neutrinos from the solar CNO cycle in Borexino”, Eur. Phys. J. C 80, 1091 (2020)
  M. Agostini et al., Borexino coll.