Le oscillazioni dei neutrini Corso di Fisica delle Astroparticelle 2009-2010 Nota sull’oscillazione dei neutrini • La probabilità di sopravvivenza di un genere di neutrino è uguale a quella del suo antineutrino, come richiesto dal teorema CPT che connette una particella con la rispettiva antiparticella. • Però, la probabilità di trasformazione di un antineutrino in un altro antineutrino di specie diversa, in generale, non è uguale alla probabilità di trasformazione tra loro dei due rispettivi neutrini, in quanto esiste la violazione di CP. Esperimenti di oscillazione del neutrino SNU = 10-36 assorbimenti per ogni atomo bersaglio SSM = 132±7 SNU Paradosso 7Be/8B Le soluzioni astrofisiche sembrano sfavorite Le oscillazioni del neutrino possono spiegare i risultati sperimentali • MSW (conversione nella materia): • SMA • LMA • LOW • Vacuum (oscillazioni nel vuoto) La mancanza dei n da 7Be è dedotta: non esiste alcuna misura diretta ! Borexino è un esperimento progettato per la misura diretta mediante la reazione: n+e n +e Variazione stagionale ± 3.5% L’Esperimento Borexino Laboratori Nazionali del Gran Sasso (profondità di 3800 mwe) Il rivelatore e’ strutturato in shell Caratteristiche del rivelatore (dal centro): • • • • • • • Scintillatore: PC + PPO (300 ton, 100 ton di massa fiduciale) Sfera in nylon (d = 8.5 m, spessore ~ 100 mm) Liquido di buffer: PC + DMP (1040 ton) 2200 fototubi Sfera in acciaio (d = 13.7 m) Buffer esterno di acqua ultrapura Serbatoio d’acciaio (h e dbase = 18 m ) Neutrini Atmosferici p+ → m+ + nm. ; p- → m- + nֿm. ; m+ → e+ + ne + nֿm m- → e- + nֿe + nm R = ( Nm/Ne)osservato ( Nm/Ne)calcolato ( Nm/Ne)calcolato = 2.1 per En < 1 GeV. Più alto ad energie superiori per maggiore sopravvivenza dei muoni. Rmisurato = 0.6 • Il risultato è stato interpretato in termini di una oscillazione fra nm → nt.. • Una evidenza convincente proviene dalla distribuzione dell’angolo di zenith dei muoni prodotti negli eventi nm con energia dei muoni sopra 1.3 GeV. La lunghezza del percorso del neutrino dipende fortemente dall’angolo, essendo tipicamente di 20 km per i neutrini che vengono direttamente dall’alto, 200 km per quelli laterali e 13.000 km per quelli che vengono dall’atmosfera dall’altra parte della terra. • Naturalmente è la direzione del muone prodotto che viene misurata, ma l’energia è sufficientemente alta per assicurare un angolo neutrino-muone molto piccolo. • In conclusione, il deficit di neutrino solare e l’asimmetria alto-basso nei neutrini atmosferici sono stati interpretati in termine di oscillazione dei sapori. Le differenze in massa dei neutrini e, probabilmente, le stesse masse sono molto piccole, dell’ordine di 10-1 – 10-3 eV. Pertanto, le masse conosciute delle particelle elementari variano dai 175 GeV del quark top a soli 10-12 GeV dei neutrini, Probabilità di trasformazione The Cern Neutrino to Gran Sasso (CNGS) program Motivated by the atmospheric neutrino disappearance CERN nm beam optimized to study the nt appearance by t detection in the parameters region: m22.410-3 eV2 and sin22 1.0 t production threshold=3.5 GeV Nt NA MD n m (E)Pn m nt (E)nCCt (E)(E)dE Beam mean features: L=730 km ; <Enm>=17 GeV _ (ne+ne)/nm=0.87% ; nt prompt negligible In shared mode 4.5x1019 prot/year 2900 nm CC/kton/year expected at Gran Sasso 13 nt CC/kton/year 2 The CNGS beam Graphite 2 m length SPS 400 GeV 19 silicium diodes Diameters: 80 cm & 115 cm Current: 150 kA & 180 kA Aluminum 6082 CNGS beam fully completed and operational since August 2006 3 The OPERA experiment Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus Direct search for the nm nt oscillation by looking at the appearance of nt in a pure nm beam CNGS program OPERA detector and experimental strategy Physics potential First operations of CNGS and OPERA Collaboration: Belgium (IIHE(ULB-VUB) Brussels), Bulgaria (Sofia University), China (IHEP Beijing Shandong University), Croatia (Zagreb University), France (LAPP Annecy, IPNL Lyon, LAL Orsay, IPHC Strasbourg), Germany (Berlin Humboldt University, Hagen, Hamburg University, Münster University, Rostock University), Israel (Technion Haifa), Italy (Bari, Bologna, LNF Frascati, L’Aquila, LNGS, Naples, Padova, Rome, Salerno), Japan (Aichi, Toho, Kobe, Nagoya, Utsunomiya), Russia (INR Moscow, ITEP Moscow, JINR Dubna, Obninsk), Switzerland (Bern, Neuchâtel, Zürich), Tunisia (Tunis University), Turkey (METU Ankara) Cécile Jollet, IN2P3-ULP Strasbourg on behalf of the OPERA collaboration 1 TAUP07 Conference - Sendai - September 11-15, 2007 Il rivelatore OPERA • • • • • • • • • • Il rivelatore OPERA si trova nella Galleria C dei LNGS. costituito da due Super Moduli (SuperM). Ciascun SuperM è diviso in una parte di targhetta ed un'altra occupata da uno Spettrometro. Di fronte al primo SuperM, in direzione di arrivo del fascio, e posizionato un sistema di veto costituito da RPC (Resistive Plate Chambers) in vetro. Ogni SuperM e realizzato in maniera modulare lungo la direzione z del fascio. La targhetta e costituita da 31 pareti intervallati da 31 piani di scintillatori detti Target Trackers (TT). Ogni parete e composta da 3328 mattoni (bricks) ed ogni mattone e l'unione di 56 piani di piombo (la targhetta) interposti a 57 strati di emulsioni nucleari. OPERA: lo spettrometro • Ogni Spettrometro è costituito da un magnete dipolare dove ogni braccio e costituito da 12 piani di Fe intervallati con 11 piani di RPC, gli Inner Trackers. • Insieme ai rivelatori interni la traccia muonica viene ricostruita grazie ai Drift Tubes (DT), i tubi a deriva di elevata precisione (anche detti Precision Trackers) posti esternamente al magnete per misurare l'impulso con il metodo dell'angolo di curvatura. The OPERA detector Gran Sasso, Hall C SM1 SM2 10m target 2 supermodules. Target: 31 walls/supermodule with ~2500 bricks each Target mass: 1.35 ktons 10m 20m Muon spectrometer Electronic detector to find candidate brick Robot to remove the candidate brick Scan by automatic microscope Brick wall 6 The OPERA experimental design Detection of t decay (~10-13 s ; ct~87 mm) topologies created by nt CC interactions mm resolution Photographic emulsions (DONUT) Detector based on bricks: Sandwich of 56 (1mm) Pb sheets + 57 FUJI emulsion layers + 1 changeable sheet Large target mass Lead materials emulsion “grains” track segment Plastic base(200mm) Pb ES ES Pb 10.3 cm ~16 grains/50 mm nt ne,nm e , m h 7.5 cm =10 X0 12.8 cm Brick weight: 8.3 kg nt t Decay “kink” >25 mrad x~ 2.1 mrad x~ 0.21 mm 5 OPERA goal: nt appearance signal detection The challenge is to identify nt interactions from nm interactions mnm CC events nm nm Decay “kink” t- nm oscillation nt nt CC events Topology selection: kink signature n m- or eor h- Principle of OPERA experiment: Detection of t decay (~10-13 s ; ct~87 mm) topologies created by nt CC interactions mm resolution Photographic emulsions (DONUT) Large target mass Lead materials 4 nm nt oscillation sensitivity full mixing, 5 years run @ 4.5x1019 pot / year Efficiency:εtrigger x εbrick x εgeom x εprimary_vertex 99% x 80% x 94% x 90% fringe effect for scanning Signal t decay channels (%) BR(%) m2 =2.5x10-3 eV2 m2 =3.0x10-3 eV2 Background tµ 17.5 17.7 2.9 4.2 0.17 te 20.8 17.8 3.5 5.0 0.17 th 5.8 50 3.1 4.4 0.24 t 3h 6.3 15 0.9 1.3 0.17 BR=10.6% 10.4 15.0 0.76 ALL Main background sources: - charm production and decays - hadron re-interactions in lead - large-angle muon scattering in lead 14 OPERA beam events 319 beam events collected: 3/4 external events (interaction in the rock) 1/4 internal events (interaction in the detector) nmCC in rock (rock muons) nmCC in the magnet n 18 Neutrino Astronomy: SN 1987A • Consideriamo una stella che abbia subito il processo di neutronizazione. e- + p → ne + n Il core della stella contiene ancora nuclei di ferro, protoni ed elettroni in quantità, così come neutroni. Possiamo, però, in prima approssimazione pensare una stella di neutroni come un nucleo gigantesco composto solo di neutroni. Se R0 = 1.2 fm è l’unità del raggio nucleare ed A è il numero di nucleoni, il raggio sarà: R = R0 A1/3. Poiché A del sole = 1.2x1057, 1.5 masse solari avranno un raggio di circa 15 km. La corrispondente energia gravitazionale rilasciata sarà: 3/5 ( GN M2 A5/3/ R0) con G costante gravitazionale e M massa del nucleone. Per 1.5-2 masse solari: Egrav. ≈ (2.5 -4 ) x 1053 ergs ≈ (1.6-2.5) x 1059 MeV • Questa energia è circa un fattore 10 più grande dell’energia richiesta per disintegrare il ferro nei suoi nucleoni costituenti. Circa 100 MeV per nucleone contro gli 8-9 occorrenti mediamente. L’energia potenziale gravitazionale è circa il 10% della massa totale del core della stella. Se non vi è un collasso in buco nero, l’implosione è bloccata dal core repulsivo della forza gravitazionale, una volta raggiunta la densità nucleare, e parte dell’energia rimbalza all’indietro nella forma di un’onda di pressione che si sviluppa poi in un’onda di shock. Durante la fase iniziale del collasso vengono emessi in pochi millisecondi circa 1057 neutrini la cui energia totale è circa il 10% dell’energia totale rilasciata. A causa dell’alta densità del core della stella, il libero cammino medio l del neutrino diventa più piccolo del raggio della stella di neutroni. Le interazioni deboli coinvolte sono diverse, ma un conto approssimato considerando solo le correnti cariche da: l = 1/(r(NA /2) ) ≈= 2p/(rNAGF2 E2) ≈ 10/E2 km Con GF costante di Fermi e NA numero di Avogadro. Pertanto per un tipico neutrino l 0.1 km. Pertanto l’enorme quantità di energia è temporaneamente bloccata nel core. I neutrini sfuggono entro 100 metri o meno dalla superficie. Distribuzione Fermi-Dirac con KT 5-10 MeV. Circa il 90% dell’energia gravitazionale viene emessa in un lungo impulso di alcuni secondi, quando il core si raffredda sufficientemente, nella forma di tutti e tre i generi di neutrini ed antineutrini. Poiché le loro sezioni d’urto sono diverse, ci saranno diverse profondità nella sfera di neutrini e pertanto ci saranno diversità di circa un fattore 2 nel numero e nelle energie dei diversi sapori di neutrino ed antineutrino. Nel 1987 nell’esplosione della Supernova SN 1987A si è avuto un impulso di circa 20 neutrini, della durata di alcuni secondi, visto dai rivelatori Kamiokande e IMB. Il segnale del neutrino arrivò circa sette ore prima del segnale della luce. Gli eventi di neutrino, insieme con la distanza conosciuta della supernova (170000 anni luce), sono stati utilizzati per calcolare l’energia totale del flusso dei neutrini, assumendo di moltiplicare per 6 quella dei neutrini elettronici, unici riconoscibili. L ≈= 3x1053 ergs = 2x1059 MeV, con un’incertezza di un fattore 2. 1058 Neutrini emessi; dopo 170.000 anni luce 1010 attraversano ogni centimetro quadrato della terra. Cosa abbiamo imparato dallo studio della SN 1987A? • • 1) Limite inferiore sulla stabilità dei neutrini: vivono almeno 170.000 anni 2) Poiché l’impulso dei neutrini è durato meno di 10 secondi, il tempo di transito dei neutrini di diversa energia è stato lo stesso entro 1 parte su 5x1011 . Il tempo di arrivo tE di un neutrino sulla terra è dato in termini del tempo di emissione dalla supernova tSN , la sua distanza L , la massa del neutrino m e la sua energia E: • tE = tSN + L/c ( 1+m2c4/2E2) • Per due eventi la differenza temporale è data da: per m2 << E2 • t = tE - tSN = Lm2c4/2c (1/E12 -1/E22) • Utilizzando neutrini di bassa energia, rispettivamente di 10 e 20 MeV, ed un t < 10 s , otteniamo m < 20 eV. •