Il mistero dei neutrini
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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

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

  • I neutrini dai reattori

  • La neutrino factory


Perch i neutrini prologo
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


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 ….


Verifica del Modello Standard

Da disintegrazioni

della Z0 a LEP (CERN)

Numero di sapori dei neutrini  3


I neutrini solari reazione di fusione
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


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%




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


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


I neutrini solari mancanti…- 50 % !!!

  • Oscillazioni ?

  • Modello solare?

  • Effetto del rivelatore?

O altro ???


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)


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


L’ esperimento GALLEX: il tunnel del Gran Sasso

Laboratori Nazionali del Gran Sasso: 1400 m di roccia 3800 m d’acqua


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?


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



Super-Kamiokande

50 K-ton d’ acqua,11 146 PMT Effetto Cherenkov


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



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





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)


Risultati di Super-K: nessuna oscillazione nmne

Oscillazione

nt o neutrino sterile


Introduzione alle oscillazioni a due componenti oscillazione

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


Le oscillazioni dei neutrini oscillazione

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


Riassunto risultati oscillazione



Flusso di neutrini per K2K oscillazione

Neutrino at near detector


Chooz oscillazione

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


Risultati Chooz I oscillazione


Risultati Chooz II oscillazione

Rate = Aspettati/Misurati = 0.98  0.04  0.04


Risultati Chooz III oscillazione

Come si legge ???

Plot di Esclusione



Teoria MSW (matter effect) oscillazione

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


Teoria MSW oscillazione

Per certi Dm2 e sin22q

Probabilita’ sopravvivenza ne

ne  nm

ne  nt


Teoria MSW oscillazione

Righe del Be uccisedal MSW


Borexino oscillazione

Scattering per corrente neutra ne su e-

Scintillatore: pseudocumene 300t

Pb: radiazione di fondo K40, U

Scopo: Misura raggi del Be


Nomad: apparizione neutrino oscillazione 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.


Produzione fasci di neutrini muonici oscillazione

To experiment

Horn

Target

m+

p+

nm, ne

Decay tunnel

Beam stopper

Proton driver



Eventi tipici di Nomad oscillazione

nm Event

Muone

Elettrone

neEvent


Il progetto LBL al CERN: CNGS oscillazione

Distanza = 732 Km Ep = 450 GeV  En=15-20 GeV

Apparizione neutrino t


Decadimento doppio beta
Decadimento doppio beta oscillazione

N(A,Z)  N(A,Z-2) + e-e- (nn)

76As

b

76Ge

Q = 204 MeV

76Se

bb

Se neutrino tipo Majorana

neutrino = antineutrino

annichilazione (come e+e-)

no neutrini da doppio b



Le mie “coordinate” oscillazione

e-mail: [email protected]

tel. uff.: 0041 22 767 1823


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