Il mistero dei neutrini

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Il mistero dei neutrini

• Gilardoni Simone
• CERN - PS/PP Division
• Université de Genève - DPNC

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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

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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
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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, thats 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 .
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(No Transcript)
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Verifica del Modello Standard
Da disintegrazioni della Z0 a LEP (CERN)
Numero di sapori dei neutrini ? 3
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I neutrini solari reazione di fusione
p p ? D e ?e (pp) pe-p ? D ?e
(pep)
p D ? 3He g
86
14
3He 4He ? 7Be g
0.1
99
7Be e- ? 7Li ne
3He 3He ? 4He 2p
7Be p ? 8B g
8B ? 2(4He) e ne
F 6.571011 ?e/cm2/s
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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
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I reattori nucleari (antineutrini elettronici)
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Il futuro dei fasci di neutrini la Nufact
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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

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Correnti cariche e correnti neutreun po di
teoria dei campi..
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I neutrini solari mancanti - 50 !!!

• Oscillazioni ?

• Modello solare?
• Effetto del rivelatore?

O altro ???
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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)

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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 dellattivita del Ge C.E. T1/211.43 d
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L esperimento GALLEX il tunnel del Gran Sasso
Laboratori Nazionali del Gran Sasso 1400 m di
roccia 3800 m dacqua
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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?

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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
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Gallex
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Super-Kamiokande
50 K-ton d acqua,11 146 PMT Effetto Cherenkov
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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
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Super-K
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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 (b1, q 42o)
q
Soglie di rivelazione e? 0.768 MeV
m? 158.7 MeV p? 209.7 MeV
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Muon fully contained atmosferico
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Electron event atmosferico
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Electron event solare
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(No Transcript)
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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 2.210-3 eV2 e sin2q 1 ?2
65.2 su 67 DOF

• Asimmetria alto-basso (atmosferici)
• Effetto giorno notte (solari)

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Risultati di Super-K
nessuna oscillazione nm? ne
Oscillazione
nt o neutrino sterile
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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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(t0) gt cosq n1gt sinq n2gt nm(t0) gt
-sinq n1gt cosq n2gt
Time evolution nm(t) gt -sinq exp-i(2pE1/h)t
n1gt cosq exp-i(2pE2/h)t n2gt
E2kp2c2m2kc4 k1,2 Ek, lk diverse se masse
diverse
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Le oscillazioni dei neutrini
Probabilita di oscillazione
P(nm? ne) lt nm(t)ne(t0)gt2
sin22qsin2(px/losc) losc 2.5 En/Dm2
Parametri
In x, En Out sin22q Amp. Mixing
Dm2m12 - m22
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Riassunto risultati
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K2K primo Long Base Line experiment
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(No Transcript)
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Flusso di neutrini per K2K
Neutrino at near detector
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(No Transcript)
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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 nep ? e
n Scintillatore Gd Segnale coincidenza 2g 511
KeV e g da 8 MeV cattura n su Gd

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Risultati Chooz I
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Risultati Chooz II
Rate Aspettati/Misurati 0.98 ? 0.04 ? 0.04
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Risultati Chooz III
Come si legge ??? Plot di Esclusione
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Relazione flusso neutrini vs potenza reattore
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Teoria MSW (matter effect)
Nella materia n interagiscono per corrente
neutra indice di rifrazione ? n0 1
2pNefnc/p2 Ne densita e-, p momento
? n uguale per tutti i sapori
Solo i ne interagiscono con e- materia per
corrente carica ? termine supplementare
nellindice 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
doscillazione
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Teoria MSW
Per certi Dm2 e sin22q
Probabilita sopravvivenza ne
ne ? nm
ne ? nt
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Teoria MSW
Righe del Be uccise dal MSW
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Borexino
Scattering per corrente neutra ne su
e- Scintillatore pseudocumene 300t Pb
radiazione di fondo K40, U Scopo Misura raggi
del Be
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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.
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Produzione fasci di neutrini muonici
To experiment
Horn
Target
m
p
nm, ne
Decay tunnel
Beam stopper
Proton driver
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Il sistema di focalizzazione magnetic horn
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Eventi tipici di Nomad
nm Event
Muone
Elettrone
ne Event
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Il progetto LBL al CERN CNGS
Distanza 732 Km Ep 450 GeV ? En15-20 GeV
Apparizione neutrino t
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Decadimento doppio beta
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 ee-) no
neutrini da doppio b
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(No Transcript)
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Due telescopi a neutrini il mare e il ghiaccio
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(No Transcript)
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Le mie coordinate e-mail simone.gilardoni_at_cern
.ch tel. uff. 0041 22 767 1823