Le oscillazioni nm ?nt

1
Le oscillazioni nm ?nt

• Il paradosso del test diretto perché è rimasto
  per così tanto tempo al di fuori delle nostre
  capacità di sperimentatori?
• Studiare le oscillazioni nm ?nt con sorgenti
  naturali (SuperKamiokande)
• Studiare le oscillazioni nm ?nt con sorgenti
  artificiali OPERA e il programma CNGS
• Cosa possiamo imparare da questo canale di
  oscillazione?

Basato soprattutto su P. Migliozzi, F. Terranova
Learning from tau appearance to appear in NJP
F. Terranova INFN-LNF
2
Tabula rasa
We aim at showing that the CKM mechanism
operating in the quark sector is an appropriate
description of leptonic mixing and (if any) of
leptonic CP violation. For oscillations, this
holds even in the occurrence of Majorana
neutrinos (no Majorana phases perturb the
oscillations)
Our golden tool flavor oscillations on
macroscopic scale
3
Quark versus leptonic mixing matrix from an
experimental point of view

• In lepton mixing, all elementary fermions are
  asymptotic free states. We dont need to deal
  with K to study s...
• There are no dissipative terms in matter waves of
  such fermions neutrinos are stable and flavor
  identification proceeds ONLY through
  charged-current neutrino interactions.
• Non-perturbative QCD effects are always
  subdominant

The tiny cross sections of the neutrinos make the
difference
The study of the leptonic mixing matrix is a much
simpler task than for the CKM
4
Back to the earth, before 1998

• Due to the smallness of the cross sections, the
  demostration of the very existence of the
  oscillation was considered a major task. The
  experimental agenda in the 80 and 90 was
• To show that lepton mixing exists, and
  therefore, demostrate that neutrino have masses
• Test with very-high precision facilities the
  (supposedly small) leptonic mixing

Such strategy was inspired by two reasonble
assumptions.Both of them were wrong!
Must be small and hyerarchical as for the CKM
Must be large (gt1 eV2) to explain Dark Matter
in the Universe
5
The turning point 1998
SuperKamiokande Macro Soudan II
1998
2004
Ashie et al., PRL 93101801,2004.
Atospheric neutrinos
1998
Finally visible the onset of oscillations at a
typical Dm2 of 10-2 10-3 eV2 The oscillation
is not a nm ?ne transition (CHOOZ, reactor
neutrinos)
Apollonio et al. PLB 466415,1999.
6
The neutrino revolution 1998-2003
Contrary to all expectations, mixing angles are
large (except maybe ?13) and mass differences are
small
Dm221 7.59 10-5 eV2 Dm223 2.40 10-3 eV2
?45o
?33o
Corollary the only way to test in a direct
manner the oscillation formula, i.e. looking at
the appearance of new flavors, is to study high
energy (gt10 GeV) nm ?nt transitions testing the
oscillation formula is more difficult than
measuring the mixing!
7
Il test diretto

• Il test piu diretto delle oscillazioni
  osservare un leptone dalle interazioni di
  correnti cariche con flavor diverso dal flavor
  del neutrino iniziale
• Impossibile con i solari e i reattori ne sotto
  la soglia cinematica del muone
• Relativamente semplice con sorgenti di muoni
  studiando nm ?ne ma le oscillazioni nm ?ne sono
  soppresse di (almeno) un ordine di grandezza
• Necessario usare le oscillazioni nm ?nt
  sperimentalmente difficilissimo

Due possibili approcci sperimentali
Approccio esclusivo Identificare la comparsa
dei neutrini tau attraverso losservazione
esplicita del leptone tau decadimento in volo
del tau. CHORUS ? OPERA
Approccio inclusivo Selezionare un campione
ricco di leptoni tau sfruttando la diversa
cinematica dellevento rispetto alle correnti
neutre NOMAD ? ICARUS
NC
nt CC
nm/e CC
8
Il piu inclusivo degli approcci
SuperKamiokande
SuperKamiokande Coll. Phys.Rev.Lett. 97 (2006)
171801
Water Cherenkov detector, 50 (22.5 fiducial) kton
mass
Set di variabili con limitato potere di
separazione ma grande statistica Combinazione
attraverso una rete neurale Selezione di eventi
tau-like
9
Lanalisi 2006 di SuperKamiokande (SK-I
data)K.Abe et al. Super-Kamiokande
Collaboration , PRL 97 (2006) 171801
Vantaggio anche se lanalisi dipende dal MC, ho
a disposizione uno straordinario campione di
normalizzazione gli eventi provenienti dallalto
(non oscillati) Svantaggio rapporto
segnale-fondo molto sfavorevole. Possibilita di
vedere solo I decadimenti del tau in 1 adrone.
Analisi 2006 2.4 s (attesa da MC 2.0 s)
10
Wendell _at_ Venice 2011
Una sorpresa lanalisi 2011
Nuova analisi null hyp esclusa a 3.8 s (attesa da
MC 2.6 s)
See also C Walter _at_ Nuint 2011
11
2000
2008
1998
2010
2004
2006
2002
Approval
RUN
End of construction
End of civil engineering
Commissioning
CHOOZ
Double-CHOOZ
Ele-det only
60000 bricks
150000 bricks
CERN
OPERA

• From SPS 400 GeV/c
• Cycle length 6 s
• Extractions
• 2 separated by 50 ms
• Pulse length 10.5 ms
• Beam intensity
• 2.4 1013 proton per extr
• Expected performance
• 4.5 ? 1019 pot/year

Gran Sasso
V. Talk di A. Guglielmi
CNGS a 17 GeV nm beam from CERN to Gran Sasso
(730 km)
12
THE PRINCIPLE OF THE EXPERIMENT ECC ELECTRONIC
DETECTORS
Scintillators

• Intense, high-energy muon-neutrino beam
• Massive active target with micrometric space
  resolution
• Detect tau-lepton production and decay
• Use electronic detectors to provide time
  resolution to the emulsions
• and preselect the interaction region

12
A. Ereditato - CERN - 4 June 2010
13
THE IMPLEMENTATION OF THE PRINCIPLE
Target area
Muon spectrometer
150000 bricks 1.25 kton fiducial mass
R. Acquafredda et al. OPERA Collaboration JINST
4 (2009) P04018
13
14
Perché proprio le emulsioni nucleari?
E la tecnica più solida per osservare la
comparsa di nt () e, a differenza di
SuperKamiokande e ICARUS, sfrutta tutti i canali
di decadimento

• Il prezzo da pagare
• Richiede unenorme infrastruttura per
  lestrazione, lo sviluppo, lo scanning delle
  lastre fotografiche
• Ha un rapporto segnale fondo eccellente e può
  vedere tutte le topologie di decadimento del tau
  ma le masse raggiungibili sono modeste pochi
  golden events
• Lanalisi non è real-time ma non può essere
  procrastinata indefinitamente perché le tracce in
  emulsioni svaniscono dopo circa un anno se le
  lastre non vengono sviluppate.

K.Kodama et al. DONUT Collaboration , PLB 504
(2001) 218
15
e and m leptonic
one prong
three prong
_at_22.5 1019 pot
t?m t ?e t ?h t ?3h total
signal (Dm22.5 10-3 eV2) 2.9 3.5 3.1 0.9 10.4
bkgd 0.17 0.17 0.24 0.17 0.75
Feb 25, 2011
15
16
SM1
SM2
Brick Manipulator System
Target area (ECC CS TT)
Muon spectrometer (MagnetRPCPT)
16
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
17
BRICK VALIDATION BY THE CS
CS doublet alignment by Compton electrons 2
microns

• Scan only bricks containing neutrino interactions
• (save analysis time, minimize the loss of target
  mass)

Scanning effort/event CHORUS 1x1 mm2 DONUT
  5x5 mm2 OPERA 100x100 mm2
17
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
18
Vertex location procedure
ECC
CS
TT
Large area scan100cm2
Point Scan 100x100mm2
neutrino
emulsion emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
18
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
19
OPERATIONS ON BRICKS
Waiting for neutrinos in the target
Extracted by the Brick Manipulator System
X-ray exposure for alignment
Stored underground (waiting for the CS response)
Films developed at surface
Exposed to cosmic-rays for precision film
alignment
20
PARALLEL ANALYSIS OF BRICKS

• Selected bricks sent to scanning labs
  (presently 12)

Nagoya
LNGS
20
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
21
year beam days p.o.t. SPSeff. events inthe bricks run
2006 0.0761019 no brick commissioning
2007 0.0821019 38 Problems with CNGS shield.
2008 123 1.78x1019 61 1698 Physics runs
2009 155 3.52x1019 70 3693 Physics runs
2010 187 4.04x1019 81 4248 Physics runs
2011 220 Exp 5x1019 Today 1.5x1019 - Exp 5000 Today 1486 In progress
2010
2009
2008
22
ECC analysis performances (I)
Ip measurement
particles momenta measurements by MCS
Feb 25, 2011
22
23
detection and p0 mass reconstruction
ECC analysis performances (II)
e e-
??? e-pair
?
EM shower energy measured by shower shape
analysis and Multiple Coulomb Scattering method
70 of 1-prong hadronic ?? decays include one or
more ?0 ? importance of gamma detection Gamma
detection how to detection of
shower detection e-pair at start point
1 s mass resolution 45
23
24
N. Agafonova et al.OPERA Collaboration, PLB 691
(2010) 138
25
the first nt candidate event (I) N. Agafonova et
al.OPERA Collaboration, PLB 691 (2010) 138

• The primary neutrino interaction consists of 7
  tracks of which one exhibits a visible kink
• Two electromagnetic showers caused by g-rays,
  associated with the event, have been located
  (total radiation length downstream the vertices
  6.5 X0)

25
26
(No Transcript)
27
Visto lelevato S/N ratio di OPERA, questo
singolo evento rappresenta già un evidenza del
tau a 2 sigma
28
Una piccola parentesi oscillazioni nm ? ne
Negli anni 90 erano un modo incerto di
effettuare il test diretto. Oggi hanno un ruolo
chiave nella fisica del neutrino perche
permettono di determinare ?13 e di accedere allo
studio della violazione di CP nel settore
leptonico. (v. talk di M. Mezzetto) OPERA ha una
certa sensibilita a questo canale() che viene
dalla capacita di identificare elettroni
(essenziale per t ? e). E pero penalizzata
dallalta energia del fascio e dalla massa
ridotta. Malgrado cio
OPERA 2008-10 data
() M.Komatsu, P.Migliozzi, F.Terranova, J. Phys.
G29 (2003) 443
OPERA final results
29
Cosa succede se OPERA vede qualcosa di diverso da
quello che ci aspettiamo?

• Neutrini sterili ci si aspetterebbe una
  riduzione dei tau. Tuttavia i modelli piu
  semplici non prevedono grossi effetti in OPERA
  perche
• Il 31 (sfavorito) deve salvaguardare i neutrini
  atmosferici e i parametri sono tunati per
  sopprimere gli effetti alle energie del CNGS
• Il 32 ha grandi violazioni di CP per
  salvaguardare Miniboone. Sopprime leffetto per
  le oscillazioni di neutrino e li esalta per gli
  antineutrini
• A.Donini, M.Maltoni, D.Meloni, P.Migliozzi,
  F.Terranova, JHEP 0712 (2007) 013

• Interazioni non standard che si manifestano nelle
  correnti-neutre
• Effetti molto grandi in OPERA
• Non sono necessariamente causa di riduzione dei
  tau
• M.Blennow, D.Meloni, T.Ohlsson, F.Terranova,
  M.Westerberg, EPJ C56 (2008) 529

Lappearance del tau e un selezionatore puro
di effetti non-oscillatori. Rispetto alle
oscillazioni questi effetti possono essere
dominanti (improbabile) o sottodominanti (molto
probabili se LSND e Miniboone sono corretti)
30
Ha senso studiare lappearance del tau dopo OPERA?
Scenario standard abbastanza interessante
La probabilita di oscillazione ne?nt ha una
dipendenza dai parametri di mixing diversa dalla
probabilita di oscillazione ne?nm. Un utile
strumento per eliminare la degenerazione tra i
parametri in facilities di alta precisione
(neutrino factories)
Scenario puro con neutrini sterili poco
interessante
Visto che le lunghezze di oscillazione degli
sterili sono piccole conviene fare misure di
precisione di appearance e disappearance di ne e
nm a piccole e grandi distanze .
Scenario con effetti non-oscillatori
subdominanti molto interessante
Gli effetti non-oscillatori subdominanti tendono
a essere amplificati alle alte energie e non
perturbano le correnti neutre. Ideali per
esperimenti ne?nt o nm?nt
31
Conclusioni

• La natura e stata generosa e, nello stesso
  tempo, un po maliziosa con noi
• I fenomeni oscillatori si manifestano in
  sorgenti naturali di neutrini
• ma
• Energie e mixing cospirano per rendere il test
  diretto delle oscillazioni il piu difficile
  possibile dal punto di vista sperimentale
• Le sorgenti naturali possono fornire alcune
  indicazioni interessanti su questo test, ma
  difficilmente saranno conclusive
• Le sorgenti artificiali sono ideali per il test
  diretto e OPERA/CNGS e davvero vicino alla meta
• In un quadro perfettamente coerente delle
  oscillazioni, il test diretto e un test empirico
  di consistenza. Oggi sappiamo che questo quadro
  coerente potrebbe riservare delle sorprese

32
Vertex location procedure
ECC
CS
TT
Large area scan100cm2
Point Scan 100x100mm2
neutrino
emulsion emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
32
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
33
Volume Scan
CS
TT
ECC
Volume scan ? topology analysis 5 plates
upstream 10 plates downstream
neutrino
emulsion emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
Lead emulsion
33
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010