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Le Astro-particelle

Giorgio Giacomelli Universita’ di Bologna e INFN Bologna, 7/11/2009 Lezioni Lincee di astronomia. Le Astro-particelle. Introduzione Il Modello Standard del microcosmo 3. LHC. Esperimenti 4. Neutrini. Sorgenti di neutrini 5. Oscillazioni dei Neutrini

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Presentation Transcript

  1. Giorgio GiacomelliUniversita’ di Bologna e INFNBologna, 7/11/2009 Lezioni Lincee di astronomia Le Astro-particelle Introduzione Il Modello Standard del microcosmo 3. LHC. Esperimenti 4. Neutrini. Sorgenti di neutrini 5. Oscillazioni dei Neutrini 6. Telescopi per neutrini 7. Onde gravitazionali 8. Conclusioni. Prospettive Le Astroparticelle

  2. 10-9 m molecolaes. grafene: strato monoatomico di atomi di C --> 1. Introduzione. La struttura della materia Vuoto dovunque ? Le Astroparticelle

  3. Il Modello Standard del microcosmo Quarks Leptoni Costituenti ultimi Elettromagnetica  Forte g Debole Z,W Gravitazionale G Forze Fondamentali Materia ordinaria costituita di protoni, neutroni, elettroni . -->u, d, e +  , sempre viaggianti Le Astroparticelle

  4. Masse dei costituenti ultimi Le masse dei costit.ultimi variano da centinaia di GeV a meno di 1eV Le masse dei sono nulle nel MS Le oscillazioni dei indicano masse non nulle, ma molto piccole Cosmologia --> m<0.7 eV Le Astroparticelle

  5. Misure di precisione agli acceleratori hanno verificato le previsioni del MS senza trovare alcun difetto QCD e’ la teoria dell’Interazione Forte Il Modello Standard(Electrodebole+Forte) L’unica cosa mancante nel MS e’ il bosone di Higgs. Il nuovo acceleratore LHC dovrebbe rispondere a: C’e’ un bosone di Higgs? Qual’e’ la sua massa? E’ elementare o composto? Fisica al di la’ del MS -Ci sono molte motivazioni per cercare nuova fisica al di la’ del MS (Infiniti, SUSY, Materia Oscura,….) -Le osservate oscillazioni dei  sono un’indicazione di nuova fisica? Possibili candidati per la Materia Oscura-particella supersimmetrica piu’ leggera [WIMP,neutralino(cold DM)] -Axion (warm DM); nucleariti, monopoli magnetici,….. Le Astroparticelle

  6. 3. LHC +acceleratori al CERN (non in scala) LHC e’ la macchina piu’ complessa che sia mai stata costruita: 7000 magneti superconduttori Eperimenti: ATLAS, CMS, ALICE,LHCb, .. Le Astroparticelle

  7. SPS Page 1 Le Astroparticelle

  8. L’esperimento CMS a LHC p p Le Astroparticelle

  9. View of CMS Le Astroparticelle

  10. Un evento di fondo prodotto da un solo fascio in CMS il 7/11/09 Le Astroparticelle

  11. 4. Neutrini. Sorgenti di Neutrini e   CMB Geo anti-e anti-e da SN  da sorgenti . cosmiche Le Astroparticelle

  12. Oscillazioni dei  Autostati di ”sapore” ne, n, n Autostati di massa n1, n2, n3 Decadimenti, Interazioni p++n , n n - p Propagazione n1(t) = n1(0) e -Et Mescolamento nf = S3m=1 Ufmnm Gli autostati di sapore si propagano come sovrapposizione di autostati di massa Per soli 2 sapori (nm, nt) , (n2, n3) : Probabilita’ di oscillazione in una distanza L: P(nm  n) = sin2 2q23 sin2 (1.27 Dm223 L/En) Sparizione in una distanza L: P(nmnm) = 1 - P(nmnt) Se ci sono oscillazioni: mn ≠0 , Dmn< 0.1 eV Violazione di Le, L, L , Conservazione di L=Le+Lμ+Lτ ? Invarianza di Lorentz ? Le Astroparticelle

  13. p, He, Fe … p, He, Fe …  m m m m e m m e m p, He, Fe … 5. Neutrini atmosferici En: 0.1 GeV 100 GeV L: 20 km 13000 km L/En: 1 km/GeV 105 km/GeV Le Astroparticelle

  14. MACRO(12mx9mx76m) (terminato) al Gran Sasso MACRO : Analisi finale { Zenithdistribut R1= N(cos Q < -0.7)/N(cosQ > -0.4) H.E. En estimate R2= N(low En) / N(high En) IU, ID and UGS L.E. R3= N(ID+UGS) / N(IU) Best fit parameters for nm nt Dm232 = 2.3 10-3 eV2 ; sin2 2q =1 Predictions of the new FLUKA and Honda Monte Carlos H.E. 25% low ; L.E. 12% low Bartol96 may give additional evidence for oscillations: Absolute values referred to Bartol96 MC: R4=(Data/MC)H.E. ; R5=(Data/MC)L.E. With these informations, the no oscillation hypothesis ruled out by ~6 s Le Astroparticelle

  15. SuperKamiokande 50kt total volume 22.5kt fiducial volume 20’PMT photocath.cover. SK-I 11,146 40% SK-II 5,182 19% 41m Mt Ikenoyama 39m 1000m underground Le Astroparticelle

  16. 6. Esperimenti long baseline • K2K (KEK to Kamioka) (250 km) • Near Detector and Far Detector (SuperK) • Ratio=measured/expected was <1 • NuMI from Fermilab to Soudan mine (735 km) • Experiment Minos • Near Detector (1000 t) , Far Detector (5500 t) • Ratio=measured/expected < 1 ∆m232=2.38 10-3 eV2 • CNGS beam from CERN to Gran Sasso (732 km) • Experiments: Opera: Appearance-->  experiment • LVD monitor, Borexino, Icarus • Neutrino Beam size at GS :  about 1 km Le Astroparticelle

  17. GPS Tflight = 2.44 msec TOPERA = Event TimeStamp TCERN = Time Stamp SPS extraction TOPERA - (TCERN + Tflight) < ∆TGate Fascio di  dal CERN al Gran Sasso GPS Time Stamp resolution ~ 100 ns Le Astroparticelle

  18. Struttura dell’esperimento OPERA 31 target planes / supermodule (in total: 150000 bricks, 1350 tons) SM1 SM2  Magnetic Spectrometers Targets Scopo principale: verificare che si tratti di oscillazione di, --> Le Astroparticelle

  19. OPERA in Hall C Super Module 2 Super Module 1 CNGS Beam Target 150, 000 bricks (total) Scintillator strips : Brick selection Calorimetry Muon spectrometer for momentum and charge identification of penetrating particles Le Astroparticelle 5/28/09 L Patrizii - CIPANP09 4

  20. Microscopio automatico veloce Le Astroparticelle

  21. “Evento” CC candidato charm kink=0.204 rad Le Astroparticelle

  22. 6. “Telescopi” per neutrini. Astronomia a neutrini di alta energia • Advantages w.r.t. other messengers: • Photons: interact with CMB and matter • Protons: interact with CMB and are deflected by magnetic fields • Neutrons: are not stable • Drawback: large detectors (~GTon) are needed. photon n  p Non ci sono per ora risultati positivi. Sono in costruzione telescopi piu’ grandi. Le Astroparticelle

  23. Optical detection of n gč 43° m- interaction nm Le Astroparticelle

  24. ANTARES 40 km cable 2500 m un piano 14.5 m 350 m 100 m Junction box 70 m Le Astroparticelle Readout cables

  25. Slide presentata a un convegno sul riscaldamento globale in risposta ad alcune motivazioni dubbie. Forse anche qui ci sono alcune motivazioni dubbie ? Le Astroparticelle

  26. 7. Onde gravitazionali Rivelazione di un’onda gravitazionale Interferometro Non ci sono ancora risultati positivi. Si cerca di migliorare la sensibilita’. Le Astroparticelle

  27. Onde gravitazionali. Virgo Le Astroparticelle

  28. 7a. Conclusioni. Prospettive per i  Neutrini atmosferici e esperimenti long baseline: 2-flavor oscillation Mixing massimo Soudan2 5.2 10-3 eV2 MACRO 2.3 “ SK 2.5 “ K2K 2.7 “ Minos 2.38 “ Dm232= -No nmns oscillations ,No Lorentz invariance violation Si capiscono le oscillazioni dei neutrini atmosferici e dei neutrini solari; si deve determinare se esiste l’oscillazione -->e e se m3>m2>m1 I neutrini sono particelle di Dirac o di Majorana ? Diversi tipi di Telescopi a Neutrini sono in funzione e/o in fase di ingrandimento Le Astroparticelle

  29. Il modello Standard del microcosmo e’ valido, ma manca il bosone di Higgs --> Si attende LHC 7b. Conclusioni. Prospettive Solo il ~4% della materia e dell’energia dell’Universo e’ costituito di materia barionica --> C’e’ quindi il problema della Materia Oscura (circa 21%) e dell’Energia Oscura (circa 75%) Materia Oscura: molti candidati particellari ricercati agli acceleratori e nei raggi cosmici e molte ricerche dirette, specialmente nei laboratori sotterranei (come il Gran Sasso) Diversi tipi di rivelatori di onde gravitazionali in funzione e/o in fase di miglioramento della loro sensibilita’. Gli esperimenti principali sono molto grossi e costosi ! Non conosciamo il 95% della materia e dell’energia dell’Universo : e’ quindi necessaria molta attivita’ di ricerca ! Le Astroparticelle

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