Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino
2020-01-21

This paper presents a comprehensive geoneutrino measurement using the Borexino detector, located at Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italy. The analysis is the result of 3262.74 days of data between December 2007 and April 2019. The paper describes improved analysis techniques and optimized data selection, which includes enlarged fiducial volume and sophisticated cosmogenic veto. The reported exposure of &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;(&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;1.29&lt;/mn&gt;&lt;mo&gt;±&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;0.05&lt;/mn&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;mo&gt;×&lt;/mo&gt;&lt;msup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;10&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;32&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msup&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mi&gt;protons&lt;/mi&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mo&gt;×&lt;/mo&gt;&lt;mi&gt;year&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; represents an increase by a factor of two over a previous Borexino analysis reported in 2015. By observing &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mn&gt;52.6&lt;/mn&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;8.6&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;9.4&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;(&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;stat&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;2.1&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;2.7&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;(&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;sys&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;/math&gt; geoneutrinos (68% interval) from &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mmultiscripts&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi mathvariant="normal"&gt;U&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mprescripts&gt;&lt;/mprescripts&gt;&lt;none&gt;&lt;/none&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;238&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/mmultiscripts&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; and &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mmultiscripts&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;Th&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mprescripts&gt;&lt;/mprescripts&gt;&lt;none&gt;&lt;/none&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;232&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/mmultiscripts&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt;, a geoneutrino signal of &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;47.0&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;7.7&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;8.4&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;(&lt;/mo&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mtext&gt;stat&lt;/mtext&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;1.9&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;2.4&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;(&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;sys&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; TNU with &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;17.2&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;18.3&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mo&gt;%&lt;/mo&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; total precision was obtained. This result assumes the same Th/U mass ratio as found in chondritic CI meteorites but compatible results were found when contributions from &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mmultiscripts&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi mathvariant="normal"&gt;U&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mprescripts&gt;&lt;/mprescripts&gt;&lt;none&gt;&lt;/none&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;238&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/mmultiscripts&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; and &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mmultiscripts&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;Th&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mprescripts&gt;&lt;/mprescripts&gt;&lt;none&gt;&lt;/none&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;232&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/mmultiscripts&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; were both fit as free parameters. Antineutrino background from reactors is fit unconstrained and found compatible with the expectations. The null-hypothesis of observing a geoneutrino signal from the mantle is excluded at a 99.0% C.L. when exploiting detailed knowledge of the local crust near the experimental site. Measured mantle signal of &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mn&gt;21.2&lt;/mn&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;9.0&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;9.5&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;(&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;stat&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;0.9&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;1.1&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;(&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;sys&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mo stretchy="false"&gt;)&lt;/mo&gt;&lt;/math&gt; TNU corresponds to the production of a radiogenic heat of &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mn&gt;24.6&lt;/mn&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;10.4&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;11.1&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mi&gt;TW&lt;/mi&gt;&lt;/math&gt; (68% interval) from &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mmultiscripts&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi mathvariant="normal"&gt;U&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mprescripts&gt;&lt;/mprescripts&gt;&lt;none&gt;&lt;/none&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;238&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/mmultiscripts&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; and &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mmultiscripts&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi&gt;Th&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mprescripts&gt;&lt;/mprescripts&gt;&lt;none&gt;&lt;/none&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;232&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/mmultiscripts&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; in the mantle. Assuming 18% contribution of &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mmultiscripts&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mi mathvariant="normal"&gt;K&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mprescripts&gt;&lt;/mprescripts&gt;&lt;none&gt;&lt;/none&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;40&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/mmultiscripts&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; in the mantle and &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mn&gt;8.1&lt;/mn&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;1.4&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;1.9&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mi&gt;TW&lt;/mi&gt;&lt;/math&gt; of total radiogenic heat of the lithosphere, the Borexino estimate of the total radiogenic heat of the Earth is &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mn&gt;38.2&lt;/mn&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;12.7&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;13.6&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mtext&gt; &lt;/mtext&gt;&lt;mi&gt;TW&lt;/mi&gt;&lt;/math&gt;, which corresponds to the convective Urey ratio of &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;msubsup&gt;&lt;mn&gt;0.78&lt;/mn&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;-&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;0.28&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mo&gt;+&lt;/mo&gt;&lt;mn&gt;0.41&lt;/mn&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/msubsup&gt;&lt;/math&gt;. These values are compatible with different geological predictions, however there is a &lt;math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"&gt;&lt;mo&gt;~&lt;/mo&gt;&lt;mrow&gt;&lt;mn&gt;2.4&lt;/mn&gt;&lt;mi&gt;σ&lt;/mi&gt;&lt;/mrow&gt;&lt;/math&gt; tension with those Earth models which predict the lowest concentration of heat-producing elements in the mantle. In addition, by constraining the number of expected reactor antineutrino events, the existence of a hypothetical georeactor at the center of the Earth having power greater than 2.4 TW is excluded at 95% C.L. Particular attention is given to the description of all analysis details which should be of interest for the next generation of geoneutrino measurements using liquid scintillator detectors.