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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Presentation Transcript
Il mistero dei neutrini

Il mistero dei neutrini

Gilardoni Simone

CERN - PS/PP Division

Université de Genève - DPNC


Il mistero dei neutrini

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 mistero dei neutrini

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 ….


Il mistero dei neutrini

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


Il mistero dei neutrini

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%




Il mistero dei neutrini

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…..


Il mistero dei neutrini

I neutrini solari mancanti…- 50 % !!!

  • Oscillazioni ?

  • Modello solare?

  • Effetto del rivelatore?

O altro ???


Il mistero dei neutrini

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)


Il mistero dei neutrini

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


Il mistero dei neutrini

L’ esperimento GALLEX: il tunnel del Gran Sasso

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


Il mistero dei neutrini

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?


Il mistero dei neutrini

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



Il mistero dei neutrini

Super-Kamiokande

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


Il mistero dei neutrini

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



Il mistero dei neutrini

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





Il mistero dei neutrini

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)


Il mistero dei neutrini

Risultati di Super-K: nessuna oscillazione nmne

Oscillazione

nt o neutrino sterile


Il mistero dei neutrini

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


Il mistero dei neutrini

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


Il mistero dei neutrini

Riassunto risultati oscillazione



Il mistero dei neutrini

Flusso di neutrini per K2K oscillazione

Neutrino at near detector


Il mistero dei neutrini

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


Il mistero dei neutrini

Risultati Chooz I oscillazione


Il mistero dei neutrini

Risultati Chooz II oscillazione

Rate = Aspettati/Misurati = 0.98  0.04  0.04


Il mistero dei neutrini

Risultati Chooz III oscillazione

Come si legge ???

Plot di Esclusione



Il mistero dei neutrini

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


Il mistero dei neutrini

Teoria MSW oscillazione

Per certi Dm2 e sin22q

Probabilita’ sopravvivenza ne

ne  nm

ne  nt


Il mistero dei neutrini

Teoria MSW oscillazione

Righe del Be uccisedal MSW


Il mistero dei neutrini

Borexino oscillazione

Scattering per corrente neutra ne su e-

Scintillatore: pseudocumene 300t

Pb: radiazione di fondo K40, U

Scopo: Misura raggi del Be


Il mistero dei neutrini

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.


Il mistero dei neutrini

Produzione fasci di neutrini muonici oscillazione

To experiment

Horn

Target

m+

p+

nm, ne

Decay tunnel

Beam stopper

Proton driver



Il mistero dei neutrini

Eventi tipici di Nomad oscillazione

nm Event

Muone

Elettrone

neEvent


Il mistero dei neutrini

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



Il mistero dei neutrini

Le mie “coordinate” oscillazione

e-mail: simone.gilardoni@cern.ch

tel. uff.: 0041 22 767 1823