Misura degli spettri beta 212Bi e 214Bi nelle catene radioattive naturali per lo studio dei geoneutrini
Progetto Il nostro pianeta una quantità di energia pari a 30-40 TW. La sua origine, liberata sotto forma di calore, è a tutt¿oggi sconosciuta. Una grossa parte di calore è fornita dalla radioattività ed in particolare dai decadimenti radioattivi dell¿uranio (235U e 238U), del torio (232Th) e del potassio (40K). Durante i decadimenti ¿- dei nuclei radioattivi vengono emessi antineutrini elettronici (geoneutrini); grazie alla loro bassa sezione d¿urto, dell¿ordine dei 10-44 cm2, queste particelle non vengono assorbite e arrivano sulla superficie terrestre portando con se informazioni preziose sull¿interno della Terra. Il segnale ricercato deve essere discriminato dagli antineutrini provenienti dai reattori nucleari di potenza e dagli antineutrini provenienti dalla sedimentazione terrestre nella zona del Gran Sasso dove l¿apparato sperimentale è collocato; questi studi sono stati intrapresi nel corso del FISRT2006.
Per poter effettuare queste misure occorre conoscere gli spettri energetici degli antineutrini. Lo spettro dell¿antineutrino è speculare allo spettro beta dell¿elettrone emesso nel decadimento. Gli anti-neutrini che potranno essere rivelati con Borexino devono avere un¿energia minima di 1.8 MeV che rappresenta la soglia di rivelazione per interazioni da antineutrino sui protoni costituenti lo scintillatore liquido. Nelle due catene radioattive naturali solo 3 decadimenti hanno antineutrini con energia superiore alla soglia di rivelazione: il 212Bi, il 214Bi ed il 234mPa. In particolare occorre conoscere lo spettro beta nel decadimento di questi nuclidi sullo stato fondamentale del nucleo figlio. Tali spettri non sono mai stati misurati direttamente
Quello che ci si prefigge è la ricostruzione diretta dello spettro beta di questi nuclei utilizzando il Counting Test Facility (CTF) di Borexino ai Laboratori nazionali del Gran Sasso. Gli spettri ricercati saranno identificati selezionando gli eventi Bi-Po in coincidenza. Questa tecnica è possibile ogni qual volta ad una particella emessa in seguito ad un decadimento (nel nostro caso un elettrone) è emessa in cascata una seconda particella (nel nostro caso una particella alfa); la registrazione contemporanea in una finestra temporale opportuna permette di identificare le particelle in questione.
I decadimenti del 212Bi e del 214Bi sono seguiti da un decadimento alfa in una finestra temporale molto piccola e questo permette di ricostruire lo spettro beta associato.
Per effettuare la misura dello spettro beta del 212Bi si dissolverà in fiale di quarzo, di diametro di 5 cm e altezze variabili da pochi cm a circa 25 cm, una certa quantità di 232Th direttamente nello scintillatore.
Per ciò che riguarda la misura dello spettro di 214Bi, si procederà alla realizzazione di una fiala di scintillatore contenente gas 222Rn preparato con un¿intensa sorgente di 226Ra. Le fiale saranno introdotte nel centro del CTF che è un rivelatore di 4 tonnellate di scintillatore contenute in una sfera di nylon di 2 m di diam.