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Il mistero dei neutrini

Il mistero dei neutrini. Gilardoni Simone CERN - PS/PP Division Université de Genève - DPNC. Sommario …. Breve storia dei neutrini Modello standard Come si producono Come si rivelano Il problema dei neutrini solari I neutrini atmosferici: le oscillazioni

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Il mistero dei neutrini

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Presentation Transcript

  1. Il mistero dei neutrini Gilardoni Simone CERN - PS/PP Division Université de Genève - DPNC

  2. Sommario…. • Breve storia dei neutrini • Modello standard • Come si producono • Come si rivelano • Il problema dei neutrini solari • I neutrini atmosferici: le oscillazioni • I neutrini dai reattori • La neutrino factory

  3. Perché i neutrini? (prologo...) Spettro a righe delle  Disintegrazione 2 corpi Spettro continuo Energia elettrone nei decadimenti  (1914)??? Disintegrazione a 3 corpi !!! • Teoria sviluppata da Fermi • Beta inverso proposto da Pontecorvo 1954 rivelazione primo neutrino … e da allora molto rimane da scoprire

  4. Il puzzle dei neutrini: atto primo “Dear Radioactive Ladies and Gentlemen: I beg you to receive graciously the bearer of this letter who will report to you in detail how I have hit on a desperate way to escape from the problem of […] the continuous  spectrum in order to save […] the law of conservation of energy. Namely the possibility that electrically neutral particles […] neutrons” W. Pauli Neutrinos? ”Oh, that’s a problem like new taxes, one had best not think about it at all” P. DeBye Era il 1930… e di neutrini non si parlava ancora…. Il neutrone venne scoperto nel 1935 ….

  5. Verifica del Modello Standard Da disintegrazioni della Z0 a LEP (CERN) Numero di sapori dei neutrini  3

  6. I neutrini solari: reazione di fusione p + p  D + e+ + e (pp) p+e-+p  D + e (pep) p + D  3He + g 14% 86% 3He + 4He 7Be + g 0.1% 99 % 7Be + e-  7Li + ne 7Be + p 8B + g 3He + 3He 4He + 2p 8B  2(4He) + e+ + ne F = 6.57*1011e/cm2/s

  7. I neutrini atmosferici Neutrini muonici e elettronici Rapporto nm/ne= 2 p + N  p + X p  m  + nm(nm) m   e + ne(ne) + nm(nm) Errore sul flusso previsto 20%

  8. I reattori nucleari (antineutrini elettronici)

  9. Il futuro dei fasci di neutrini: la Nufact

  10. Come si rivelano i neutrini • Reazione beta inverso : esperimenti radiochimici Gallex • Interazione per corrente carica (scambio di un bosone W) Esperimenti on-line : Super-Kamiokande • Interazione per corrente neutra (scambio di un bosone Z0) Gargamelle, Borexino, Super-Kamiokande

  11. Correnti cariche e correnti neutre:un po’ di teoria dei campi…..

  12. I neutrini solari mancanti…- 50 % !!! • Oscillazioni ? • Modello solare? • Effetto del rivelatore? O altro ???

  13. I neutrini solari mancanti • Errore nel modello solare? Limite inferiore fn da potenza (luce) emessa • Effetto del metodo di rivelazione? Stessi risultati con diversi tipi di rivelatori (Gallex, Sage, Kamiokande) Test sul sistema di rivelazione (Gallex) • Oscillazioni ? Evidenza sperimentale da Super-Kamiokande • Effetto MSW (da testare)

  14. L’ esperimento GALLEX Vasca 30.3t Ga target 12t 71Ga 71Ga + ne 71Ge + e- Soglia =233 KeV GaCl4 liquido GeCl3 volatile Separazione con N2 Misura dell’attivita del Ge C.E. T1/2=11.43 d

  15. L’ esperimento GALLEX: il tunnel del Gran Sasso Laboratori Nazionali del Gran Sasso: 1400 m di roccia 3800 m d’acqua

  16. Gallex Misura flusso solare via beta inverso F atteso = 123  132 SNU F misurato=79  10  6 SNU GALLEX F misurato = 73  18  6 SNU SAGE • Modello solare? • Problema dell’ esperimento? • Oscillazioni?

  17. Test dell’ esperimento GALLEX • Sorgente di 51Cr: • Alta attivita’ • En confrontabile a spettro solare • Vita media sufficiente A = 61.9  1.2 PBq mtot = 35.5 Kg Rate = misurati/attesi = 1.04  0.12

  18. Gallex

  19. Super-Kamiokande 50 K-ton d’ acqua,11 146 PMT Effetto Cherenkov

  20. Super-Kamiokande 1) Size Cylinder of 41.4m (Height) x 39.3m (Diameter) 2) Weight 50,000 tons of pure water 3) Light Sensitivity 11,200 photomultiplier tubes (50cm each in diameter -the biggest size in the world) 4) Energy Resolution 2.5% (at 1 GeV) and 16% (at 10 MeV) 5) Energy Threshold 5 MeV

  21. Super-K

  22. Principio di rivelazione • Interazione per corrente carica per atmosferici (E GeV) n + N  leptone + X Sapore leptone  Sapore neutrino • Interazione per corrente neutra per solari ne + e-ne + e- Effetto Cherenkov Cono di luce se particella viaggia più veloce della luce NEL MEZZO cos q = 1/(nb) b =v/c (b=1, q= 42o) q Soglie di rivelazione e 0.768 MeVm 158.7 MeVp 209.7 MeV

  23. Muon fully contained atmosferico

  24. Electron event atmosferico

  25. Electron event solare

  26. Risultati di Super-K: evidenza di oscillazione Neutrini atmosferici R= (m/e)dati/(m/e)MC • Rate indipendente da flusso assoluto dei cosmici • MC dipende dai parametri di oscillazione Dm2 e sin2q R = 0.63  0.03  0.05 (MC senza oscillazione) Best fit Dm2= 2.2*10-3 eV2 e sin2q =12 = 65.2 su 67 DOF • Asimmetria alto-basso (atmosferici) • Effetto giorno notte (solari)

  27. Risultati di Super-K: nessuna oscillazione nmne Oscillazione nt o neutrino sterile

  28. Introduzione alle oscillazioni a due componenti Gli autostati dell’ Hamiltoniana di propagazione 1 e 2 (mass state) non coincidono con gli stati della Lagrangiana dell’ interazione debole (weak state) e, m |ne(t=0) > = cosq |n1> + sinq |n2> |nm(t=0) > = -sinq |n1> + cosq |n2> Time evolution |nm(t) > = -sinq exp[-i(2pE1/h)t] |n1> + cosq exp[-i(2pE2/h)t] |n2> E2k=p2c2+m2kc4 k=1,2 Ek, lk diversese masse diverse

  29. Le oscillazioni dei neutrini Probabilita’ di oscillazione P(nm ne) = |< nm(t)|ne(t=0)>|2= sin22qsin2(px/losc) losc = 2.5 En/Dm2 Parametri In:x, En Out: sin22q Amp. Mixing Dm2=m12 - m22

  30. Riassunto risultati

  31. K2K: primo Long Base Line experiment

  32. Flusso di neutrini per K2K Neutrino at near detector

  33. Chooz Neutrini da due reattori nucleari da 8.4 GWth Flusso medio: 5 miliardi/secondo/cm2 a L = 1 km 24 evt/day Energia media:En = 3.0 MeV Rivelazione flusso mancante ne+p  e++ n Scintillatore + Gd Segnale coincidenza 2g 511 KeV e g da 8 MeV cattura n su Gd

  34. Risultati Chooz I

  35. Risultati Chooz II Rate = Aspettati/Misurati = 0.98  0.04  0.04

  36. Risultati Chooz III Come si legge ??? Plot di Esclusione

  37. Relazione flusso neutrini vs potenza reattore

  38. Teoria MSW (matter effect) Nella materia n interagiscono per corrente neutra indice di rifrazione  n0 = 1 + 2pNefnc/p2 Ne densita’ e-, p momento  nuguale per tutti i sapori Solo ineinteragiscono con e- materia per corrente carica termine supplementare nell’indice di rifrazione n = n0+2 GfNe/p Passando nella materia si introduce uno sfasamento tra gli stati di sapore (come le componenti della luce polarizzata in un mezzo birifrangente)  Cambia la probabilita’ d’oscillazione

  39. Teoria MSW Per certi Dm2 e sin22q Probabilita’ sopravvivenza ne ne  nm ne  nt

  40. Teoria MSW Righe del Be uccisedal MSW

  41. Borexino Scattering per corrente neutra ne su e- Scintillatore: pseudocumene 300t Pb: radiazione di fondo K40, U Scopo: Misura raggi del Be

  42. Nomad: apparizione neutrino t Rivelazione neutrino t in fascio di neutrini m ed e da identificazione leptone t Fascio nm di E = 24 GeV Flusso medio 106 nm /s/cm2 a 1 km.

  43. Produzione fasci di neutrini muonici To experiment Horn Target m+ p+ nm, ne Decay tunnel Beam stopper Proton driver

  44. Il sistema di focalizzazione: magnetic horn

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