Paolo Bellan Dottorato in Fisica ~ XX ciclo ~ PADOVA

Presentazione sul tema: "Paolo Bellan Dottorato in Fisica ~ XX ciclo ~ PADOVA"— Transcript della presentazione:

1 Paolo Bellan Dottorato in Fisica ~ XX ciclo ~ PADOVA
NEUTRINI ALL’OPERA vm ve ♪ ♫ vt ♪ Paolo Bellan Dottorato in Fisica ~ XX ciclo ~ PADOVA

2 SOMMARIO Uno sguardo sui neutrini: oscillazioni e dintorni
Gli esperimenti Long Baseline OPERA * obbiettivi * struttura degli apparati * strategie di misura * risoluzione, sensitività, potenziale di scoperta Conclusioni e prospettive

3 I NEUTRINI Secondo Mr. Standard Model :
Osservato Previsto Q Introdotti da PAULI come disperato rimedio per salvare la conservazione dell’energia nello spettro osservato nel decadimento β: (A, Z)  (A, Z+1) + e  (A, Z) (A, Z+1) + e- + X Per un decadimento a due corpi ci si attenderebbe elettroni monoenergetici ( Q = M(A,Z)-M(A, Z+1) ) RILEVATI 36 ANNI DOPO LA LORO POSTULAZIONE! La loro interazione con la materia è davvero minima: Secondo Mr. Standard Model : sono particelle ( del tutto! ) NEUTRE interagiscono solo via INTERAZIONE DEBOLE (correnti neutre o cariche) sono rigorosamente A MASSA NULLA! previsti solo νL ed νR

4 Di sicuro: se mv ≠ 0 I RISULTATI SPERIMENTALI mostrano:
NON è richiesto da alcun assunto teorico che sia mv = 0, e se mv ≠ 0 siamo subito OLTRE il Modello Standard! Da stime cosmologiche sappiamo che Σim(vi) < O(1eV) troppo piccole per misurarle direttamente (per ora…)  fondamentali gli esp. di oscillazione, che avvengono sse mv ≠ 0 I RISULTATI SPERIMENTALI mostrano: DEFICIT dei neutrini solari (SNO CC/NC ratio + KamLand)  Oscillazioni? Soluzioni LMA MSW I per ve ↔ vμ,vt (II 99%CL): m122 = 7 x eV2 (oppure 1.4 x eV2); 12 grande (m.m. escluso a 3s ) ECCESSO di ve nel canale vμ → ve (LSND) da confermare (MiniBoone) Analisi globali a 3 famiglie + risultati negativi di CHOOZ : θ13 piccolo (<8°) EVIDENZA di oscillazioni per v atmosferici (SuperK) PERO` al momento manca la possibilità di inserire TUTTI i risultati in un unico quadro …IV neutrino non interagente (sterile)? |Δm²23|= x 10-3 eV² sin² 2θ23 > 0.9

5 Massa dei Neutrini > 0 ?!
“Neutrino oscillation” Pontecorvo, 1957 Maki, Nakagawa and Sakata, 1962 Pontecorvo and Gribov, 1969 Un fenomeno indotto da mn > 0 Implica un’apparente “metamorfosi” di un n in un altro di diverso flavour (p.es. nm ® nt ) La loro osservazione permette di misurare (solo) Dm2 ! ? mv > 0 conduce subito oltre lo “Standard Model”  fondamentale per la Fisica delle Particelle Notevoli implicazioni in Astrofisica e Cosmologia e teorie di unificazione  questione multidisciplinare Sono richieste altissime sensibilità  R&D, nuove tecnologie

6 mv > 0 ↔ oscillazioni: un fenomeno tipicamente quantistico
visibili interazione: “weak” es. (ne , nm , nt) Si mischiano gli autostati di propagazione: “masse” es. (n1 ,n2 ,n3) latenti Un’analogia macroscopica al mixing: colori visibili come miscuglio di colori base colore visibile colori base Propagazione dei colori come onde: differenti colori  differenti lunghezze d’onda giallo Dopo aver percorso una qualche distanza appare diverso! Delle onde colorate simulano il meccanismo delle oscillazioni dei n : in Meccanica Quantistica le particelle sono rappresentate da onde la cui lunghezza d’onda dipende dalla massa!

7 Perché “oscillazioni”? Perché “long baseline” ?
Probabilità “di sopravvivenza” di un autostato debole: P = 1 - sin22q sin2(Dm2 L /4En) (2-n approx.; figura sotto per il caso di”full mixing”, i.e. sin22q = 1)  “oscillation pattern” connesso con la FREQUENZA del processo di oscillazione connesso con l’AMPIEZZA del processo di oscillazione L’effetto aumenta con L ® “long baseline” (p.es. CERN - Gran Sasso) Differenza delle masse quadre piccola  tempi di oscillazione lunghi distanze GRANDI “Survival” probability P a grandi distanze media = ½ Dm2 = 3x10-3 eV2 101 102 103 104 km/GeV L/En rebirth no survival

8 “Survival” probability P
P(va→ vb) = sin22q sin2(Dm2 L /4En) = sin22q sin2(1.27 Dm2(eV2) L(Km) /4En (GeV) ) SBL: L/E < ~ 1 eV-2 rate alte P > ~  Dm2 > ~ 0.1 eV-2 REATTORI, ve disapp. L~10m, E ~ 1MeV (Bugey) ACCELERATORI: vm app. L<~1Km, E> ~ 1GeV (CCFR, NOMAD, LSND, KARMEN) LBL: L/E < ~ 104 eV-2 ma bassa statistica P~ 1  Dm2 > ~ 10-4 eV-2 REATTORI: ve disapp. L~1Km, E ~ 1MeV (CHOOZ, Palo Verde) ACCELERATORI: vm app. L<~103Km, E >~1GeV (K2K, MINOS, CNGS) ATMOSFERICI: L = 20(↓) – 13000(↑) Km, E=100 MeV – 100 GeV VLBL L~180Km, E ~3MeV L/E < ~ 105 eV-2  Dm2 > ~ 3*10-5 eV-2 (KamLAND, ve disapp) SOLARI: L~1.5*108 Km, E~1MeV L/E ~ 1012 eV-2 Dm2>~10-12eV (Homestake, Kamiokande, GALLEX,, SuperK, SNO) In realtà i v non son mai monocromatici, il rivelatore media su un DE  risoluzione! “Survival” probability P L/En ALTEZZA del gradino ↔ sin²2θ POSIZIONE del gradino o della valle ↔ Δm²

9 Oscillazioni: la mappa delle regioni “permesse”
Diversi esperimenti differenti range di massa ! Short baseline (flussi maggiori) Dm2 ( eV2)  nt “Cosmologici” ? ( solar n + see-saw + DM ) nm ne El. excess  LSND nm ne (da confermare) (minor background) Grande Mtarget Long baseline Δm²LNSD~ 1 eV² sin² 2θ ~ 0.003 Range di massa accessibile agli esperimenti “long baseline” nm nx  Atmospheric n (Kamiokande, Super K) Muon deficit Δm²ATM~ 10-2 – 10-3 eV² sin² 2θ ~ 1  ne nx solare (matter enhanced osc., MSW effect ne nx QVO,VAC Δm²SOLAR~ 10-5 eV² sin² 2θ ~ 0.8 o 0.008 El. deficit Con 3 n, solo 2 Dmij e 3 qai MA Δm²SOLAR  Δm²ATM  Δm²LNSD → serve il IV n “sterile” ? sin2 (2q)

10 Evidenza di nm-disappearance nei v atmosferici (Kamiokande - SuperKamiokande , conferme da MACRO e Soudan 2) “DOUBLE RATIO” m-like e-like Dm2 L/En (km/GeV) Data /expectation L ? Il deficit di nm aumenta con L no anomalie per ne: no nm  ne oscillazioni nm  nt! Rapporto vm+vm / ve+ve @ E ≤ 1GeV ATTESO ~ 2:1 OSSERVATO ~ x ½ ! Vi sono grandi incertezze sul flusso atmosferico, ma la dipendenza L/E implica, richiede le oscillazioni!

11 I risultati sui v atmosferici a SuperK
1289 giorni Best Fit: sin22q=1 oscillazioni nm-ns escluse al 99% CL Riscontro di un deficit di nm atmosferici visto sia dai rivelatori Cerenkov che dai calorimetri

12 Perchè gli esperimenti long baseline?
Verificare i risultati da neutrini Dm2 > 10-3 eV2 Confermare le oscillazioni nm ® nt “vedendo” delle nt- appearance Misurare il prodotto |Dm223| x q23 con una precisione del ~10% Misurare nm  ne e q13 Porre limiti su nm  ns Rispetto alle sorgenti naturali: Flussi maggiori e meglio noti Maggior purezza Contaminazione di flavour “estranei” bassa e sotto controllo

13 K2K Esperimento di nm –disappearance Far Detector Close Detectors (CD)
250 km K2K <E(nm )> = 1.3 GeV Visti 50 ev su ! Esperimento di nm –disappearance Far Detector Close Detectors (CD)

14 Sensibilità dell’ esperimento
Best Fit : DmATM2 = 2.6x10-3 eV2 sin2 2qATM=1 ; oscillazioni vm  ve / vs sfavorite Però Data la bassa energia del fascio (<En> ~1.3 GeV, ne servono 10!) K2K non è in grado di implementare la ricerca di una vt-appearance

15 Per misurare in dettaglio la vm-disappearance vista a K2K:
MINOS NuMI Beam FERMILAB  Miniera Soudan (L = 735 Km): Fascio a bassa energia Alta “repetition rate” del Main Injector 120 GeV / c NEAR DETECTOR Ottima identificazione dei m Granularità del detector troppo grossolana per un affidabile flavour-tagging dei vt in CC MA Misura del rapporto NC/CC come PROVA INDIRETTA di una vt-appearance

16 Dalla “disappearance” alla “appearance”
Per sviscerare l’origine del deficit di vm atmosferici e confermare le oscillazioni vm ↔ vt osservare la comparsa di vt in un fascio di vm con una sensibilità a Dm2 > 10-3 eV2 “Scomparsa” Deficit statistico di nm SuperKamiokande, K2K … FNAL-Soudan “Appearance” statistica Apparente eccesso di nm , imputabile ai nt … FNAL-Soudan “Appearance” Rilevamento di nt con basso background Nuova generazione di t-detectors e tecnologie dedicate CHORUS e CERN ® CNGS detectors CNGS beam ottimizzato per la nt appearance (Ep 400 GeV) nm  nm nm  nm nm  nt

17 Il CNGS neutrino beam nm nt \ ne ?
Fascio operativo per la fine del 2005 nt \ ne ? L = 732 Km ICARUS p da 400 GeV

18 Rilevamento dei t come segnale nmnt
nm …………….. nt + N t- + X oscillazione CC interaction BR m- nt nm % h- nt npo % e- nt ne % p+ p- p- nt npo % FIRMA: tempo di vita breve ( ct ~ 87mm) ) missing energy COSA: Osservazione della “firma” del decadimento su scala microscopica ( à la CHORUS ) CON: Emulsioni fotografiche “nucleari” : micro cristalli (~0.2μm) di AgBr in gelatina (granularità ~1mm) GRAZIE A: Alta risoluzione in posizione delle emulsioni Sistema di redout automatico Data Processing veloce (Net Scan System) Fondi ridotti Decay “kink” nt n (ns) t- ~1 mm

19 Intento e tecniche sperimentali base
Dm2 = (2÷6) x10-3 eV2 (SuperKamiokande) Mtarget = O (1) kton Emulsioni solo per il tracking + sandwich di materiale passivo come bersaglio (ktons impossibile per target di sola emulsione: CHORUS ~ 0.8 ton ) Emulsion Cloud Chamber (ECC) - Particella charmata “X-particle” osservata per la I volta nel 1971 nei cosmici con una ECC - DONUT/FNAL ECC per il rilevamento dei nt in un “beam-dump experiment” Nuovi sviluppi richiesti dalle nuove entità delle masse dei detector di vertice: - emulsione di produzione industriale : Machine coated Emulsion Sheets (MES) - scanning automatico ultra veloce delle immagini 3D delle emulsioni Esperienza fatta cogli esperimenti CHORUS, DONUT

20 “zero background” exp.: 1 evento “fa risultato”
1947: scoperta del p Sensibilità alle emulsioni nucleari  scoperta del p dai cosmici 1971: Charm Emulsion Cloud Chamber (Sandwich di emulsioni al Pb) Charm dapprima visto come ‘X-particle’ in interazione di raggi cosmici 1985 : Beauty WA75 esperimento ibrido Prima osservazione di produzione e decadimento del b Emulsioni Nucleari: uniche per “vedere” il decadimento di short-lived particles 10 mm X Do D- B- , Bo 50 anni dopo la scoperta del p Scanning automatico, bersagli massivi  ricerca di t -decay da interazioni di nt “zero background” exp.: 1 evento “fa risultato”

21 Valori nominali del fascio
Il fascio x CNGS Valori nominali del fascio p di SPS da 400 GeV su bersaglio di 2m di grafite, 2 lenti coassiali più tubi ad He per ridurre le interazioni di adroni secondari, lungo decay tunnel (~1Km) per K+ e π+ (20–50 GeV), due file di m-detector al Si per monitorare il fascio dopo l’acciaio dell’hadron stopper finale  ( m-2 / pot) x10-9  CC / pot /kton x10-17 < E > GeV e /  %  /  % t prompt* negligible e /  % “Shared SPS option” (=CNGS & Fix Target exp) 200 days/year 4.5x1019 pot/year * : principalmente dai Ds

22 Il fascio CNGS 3.5x1011 v\m²\anno 2450 m ev\kton\anno 
 CC/pot/kton m2 1 x 10-3 eV2 3 x 10-3 eV2 5 x 10-3 eV2 2.53 22.8 63.3 @ sin2 2 = 1 3.5x1011 v\m²\anno 2450 m ev\kton\anno  con 1.3 kton target x 5 anni ~  NC+CC ~ 120  CC  ~ 10/20 eventi Considerando i best fit di SuperK: sin2 2 = 1 m2 = 2.5 x 10-3 eV2 tenendo conto dei briks rimossi per l’analisi… Shared SPS option 200 days/year 4.5x1019 pot/year

23 Un detector “ibrido” : il super-modulo
Spettrometro a m Acciaio magnetizzato + Detectors elettronici Bersaglio Piombo/Emulsioni Detectors elettronici: ECC brick + Target Tracker Brick Electronic detectors Lead/Emulsion 3264 bricks/wall 24 wall/supermodulo 8.3 kg/brick 10.2 x 12.7 x 7.5 cm3 78336 ECC bricks per 2 supermoduli  1.3 kton Impulso misurato dal multiple scattering e- identificati dallo shower EM g identificati dalla conversione in coppie e+e- E(e-), E(g) dall’analisi dello sviluppo della shower EM Cella “compatta” Lead 1 mm Emulsion (base) + 50 mm Elemento base (Piombo/emulsione) Cell Brick

24 …un grande detector sotterraneo
Detectors ad OPERA Intenti principali: Determinazione del brick ove è avvenuta l’interazione di v Localizzazione della regione da cui iniziare lo scanning delle emulsioni ( ~1cm2) Identificazione di m ed e- Segno della carica dei m Detectors: Target Trackers Tracker planes (interni agli yokes magnetici) Spettrometri a m Strips di scintillatori con sistemi di lettura a fibre ottiche Resistive Plate Chambers (RPC) Tubi a drift …un grande detector sotterraneo

25 La cella: rilevamento di vertici primari e secondari
Elemento base: la cella (compatta) Alta densità alta prob. di interazione  piccola χ0 OK per determinare p via Multiple Sc. Piombo ® GRANDE Mtarget Emulsion sheets (ES) ® tracking spaziale 3-D Per ciascun ES (“double-sided”): ۰fogli di emulsione di 50 mm su ambo i lati di una struttura plastica (cellulosa tri-acetato*) di 200 mm ۰granularità del detector dell’ordine del micron ® alta qualità dei segmenti delle tracce Decadimenti dei t nell’elemento di piombo a valle del vertice ® osservazione del “kink” della traccia, altrimenti parametro d’impatto Micro TRACCE  TRACCE BASE  (…) TRACCE RICOSTRUITE “grani” di emulsione  segmenti di traccia nt ne , nm e , m t nt decay kink Pb ES Pb ES (sui due starti del film) micro-tracce connesse (mm) 1 mm *: ρ=1.28 gr/cm3 n= χ0=31cm λI=67cm

26 Il bersaglio: briks e muri
Film di emulsione + fogli di Pb (1mm) TUTTO di produzione industriale BRIKS 127 x 102 x 75.4 mm3 Sandwich di 56 strati → 1 BRIK (~ 100 misure indipendenti!) maneggievoli Special Shees di emulsione per decay nell’ultimo foglio di Pb rimoz bassa % bersaglio piccoli e leggeri VS grandi abbastanza bassa incidenza effetti di bordo dim. trasversa >> incertezza sulla determinaz. del vertice, OK x e-ID via em. showering

27 Mattoncini ECC con confezionamento “ORIGAMI”
Origami packing: rivestimento ERMETICO 56 film di emulsione (10χ0) 8.3 kg / brick 10.3 x 12.7 x 7.5 (~ 10 χ0) cm3 bricks totali 1.3 kton, 2 supermoduli ~ m² di pellicola, 12m3 di gel 10.27cm n 1 mm di gelatina protettiva per lato per: proteggere le superfici delle emulsioni da depositi di Ag durante lo sviluppo permette il contatto diretto emulsione-Pb 7.54cm 12.7cm Impacchettamento automatico sotto vuoto (Pint =0.1 con carta alluminata termo-sigillata, la quale (1) Protegge da contaminazioni chimiche e variazioni di luce ed umidità (2) Fissa e mantiene la posizione dei fogli di emulsione e Piombo. (3) Preserva il vuoto per oltre 10 anni

28 Electronic Target Trackers
2 piani ortogonali di strip di scintillatori (campionatura (X,Y), estrusione di TiO2) dopo ciascun muro, letti da ambo i lati da fibre ottiche WLS connesse a fotodetectors; servono a: Selezionare i brick con interazioni di v, che verranno poi ESTRATTI ed ANALIZZATI come trigger per il redout dell’intera catena elettronica Campionare l’energia (~ calorimetro) degli sciami adronici / elettronici Emulsioni con alto scanning power e basso background  Target Trackers soltanto per una prima grossolana tracciatura brick selezionato Evento di vm simulato con E(e-), E(g) ~ 1 MeV, E(Charg.Part) ~ 10 MeV Traccia muonica Evento visto dal target tracker max p.h. muro 10 cm Target Trackers BRICK FINDING: selezione del brik dov’è avvenuta l’interazione con algoritmi basti su: profilo trasverso dell’energia nei piani X, Y tracce individualmente ricostruite Granularità del tracking ~2.5 cm, risoluz. energetica per sciami adronici 0.65/√E+0.16 I bricks sono estratti giornalmente mediante un meccanismo automatico dedicato

29 Le strip di scintillatore nei Target Trackers
WLS fibres 10.6 mm unità Read out ad entrambe le estremità da fibre WLS Multi anode 64 ch. PMT Minimum: 6 p.e. Probabilità per 0 p.e. = 0.2% PMT 26 cm 64 strips planes 6.86 m Segnale prodotto alle due estremità e loro somma 6.7 x 6.7 m²

30 Alcuni dettagli sull’elettronica di lettura del tracking e calibrazioni
La produzione di fotoelettroni (almeno 4 per un’efficienza del 97% per una mip) dipende da: la luce in uscita dalle strip l’efficienza di raccolta della luce dall’efficienza di trasmissione delle fibre l’efficienza dei fotodetectors La scelta dei fotodetectors compiuta considerandone: l’efficienza di rilevamento di un singolo fotoelettrone il range dinamico il costo! un fast discriminator (soglia 1 fotoelettrone) uno slow shaper per la misura della carica con celle capacitive attivate da un autotrigger ADC Fotodetectors letti con un redout analogico con un fast trigger che li inizializza; segnale d’uscita preamplificato (switch a guadagno variabile), diviso e mandato a Calibrazione del tracking: si vuole efficienza delle singole strips per le mip al 97% efficienza del brick finding circa costante raggiungere la risoluzione energetica nominale muoni impulsi luminosi sorgenti radioattive iniezioni di carica normalizzazione globale della risposta energetica risposta dei fotodetectors e della catena elettronica efficienza per le mip, frequenze di conteggi e soglie calibratura della risposta: guadagno, rumore, picchi e soglie →

31 Scanning degli ES: tracce ~ punti nei diversi piani focali
mm Scanning degli ES: tracce ~ punti nei diversi piani focali n Particelle prodotte nelle interazioni di n escono dall’ immagine Le tracce appaiono come punti mm Visione a “Tomographic slice” con profondità focale ~ mm mm vista in profondità ottenuta muovendo il piano focale 0 mm ~16 immagini per 100 mm Operazioni di detecting: rimozione  esposizione ai m cosmici (tra altri due fogli di ES di veto) fino ad avere una dens. di tracce ~ 1/mm² per l’allineamento  sviluppo e stampa su fogli plastici  spedizione a stazioni di scanning automatico  pre-selezione e selezione degli eventi 0.1 mm

32 Il microscopio per l’analisi automatica delle immagini Computer controlled Tecnica multidisciplinare (p.es. biofisica) Digitised 3D image Third dimension: emulsion thickness Emulsion mm thickness Optics ~ mm focal depth “optical slice” CCD camera Movable stage Emulsion Optics CCD camera

33 La procedura NET-scan (da DONUT)
GIALLE : Upstream ROSSE : Downstream Non passanti (~1000 tracce) 2 segmenti connessi (~200 tracce) Impact Parameter secondo i tagli 5 mm Totale (~70k tracce!) 7 piatti sovrapposti

34 Ricostruzione dell’evento con grafica 3-D
DISTORSIONE nel film x tensione nella gelatina  sistematica (sulle MICRO tracce non sulle tracce BASE) TRASCURABILE ~ 0.4 mm (VS scanning syst. accuracy ~0.3 mm !) Effetti DI BORDO (maggior distorsione): < 1mm fino ad 1mm dal bordo; si applica una correzione. DOMINA sotto 1mm TRASCURABILE fino a 200 1mm dal bordo FADING (L’immagine latente sbiadisce prima dello sviluppo) SOTTO CONTROLLO: nota e trascurabile x la velocità dello sviluppo; utile per le immagini preesistenti! AGING testato; cmq OK x tempi di utilizzo previsti 0.35 mm supporto plastico emulsione Step successivi nello scanning automatico delle emulsioni Digitalizzazione 3D delle immagini delle emulsioni Ricostruzione dei segmenti di traccia in differenti layers di emulsioni (micro tracce) Associazione di segmenti di tracce in tracce complete Tracce ricostruite convergenti ad un vertice di interazione n Ricerca dei decadimenti  candidati t per controllo via scanning semiautomatico

35 Identificazione dei muoni e misura di impulsi e cariche
Target supermodule Piani di Fe magnetizzato + RPC 0.5 m 1 m High precision drift tube trackers Reiezione del background da charm (!) Tag ed analisi dei candidati - - Con bersaglio + spettrometro come calorimetro: ► misura dello spettro di E Gli Inner Trackers: muri in Fe instrumentati con RPC ► Identificano i m e ne misurano l’impulso (misura angolare) ► misura l’energia delle shower 6.7 m Spettrometro: 3 tubi a drift esterni ad alta risoluzione σp/p < 25% per p(m)< 25 GeV Errori sulla carica < 0.5%

36 Spettrometro a m a magneti dipolari caldi (+ RPCs –Inner Trackers– per l’ identificazione e misura dell’impulso) Prototipo del magnete costruito e testato a Frascati B= 1.55 T slabs iron base coil 8.2 m iron yoke bobina Peso totale ~ 950 tons Fe (5 cm) RPC 12 piani di Fe Due magneti di ferro con bobina a bassa corrente raffreddati ad aria; in mezzo strati di Resistive Plate Chambers + piani di tubi a drift prima e dopo ciascun magnete Magneti durante la costruzione

37 Precisione del tracking > 5mm  segno del m noto a 4s
PRECISION TRACKERS: tubi a drift nello spettrometro + XPC (=RPC inclinate) Precisione del tracking > 5mm  segno del m noto a 4s Un chip di front end legge 8 tubi 2 piani di RPC a strip inclinate (XPC) dopo ciascun piano di tubi per risolvere le ambiguità spaziali nella ricostruzione delle tracce Miscela: Ar\CO2 3 strati per piano 256 tubi per piano 6 piani per spettrometro Caratteristiche richieste: buona risoluzione spaziale intrinseca (~0.5 mm) efficienza di rilevaz. della singola traccia gestione di multi-hit e dello shower che esce dal magnete assenza di materiali tossici/infiammabili granularità proporzionale alla risoluzione spaziale di bersaglio ed Inner Trackers (2-3cm) buon allineamento

38 RPC / XPC (±46° incl) alta efficienza intrinseca
buona modularità geometrica e facile segmentazione robuste ed economiche RPC / XPC (±46° incl) HV isolante GAS bachelite grafite spaziatori 6 mm olio di lino X e Y strips Due strati ortogonali di RPC informazioni 2D; SLOW CONTROL per temperature, gas e tensioni Elettrodi piani di un polimero fenolico ad alta resistività (bachelite) Superfici esterne grafitate coperte da una pellicola isolante di 190 mm in PET portate ad una ddp di 7.8 kV ( I = 5 mA / m²) Estremità trattate con olio di semi di lino (↓rumore, ↑efficienza) Miscela di gas ad alta percentuale di Argon alla pressione atmosferica Separatori in Lexan (policarbonato) assicurano la coplanarità Passaggio della particella carica  scariche che inducono cariche raccolte da appositi elettrodi piani (strip di rame su supporti plastici) da ambo i lati della camera; redout digitale, nessuna pre-amplificazione; clock per i Precision Trackers Carica indotta ~ 100pC Rise time ~ 2 ns Durata ~ 10 ns Segnale ~ 100 mV

39 Back Scattering da controllare (DIS>QE)
Brick finding 1) Selezione del muro del brick 2) Individuazione del brick nel muro selezionato Electronic Trackers Back Scattering da controllare (DIS>QE) Selezione del muro: Tagli sequenziali sul # di hit + Neural Network: INPUT EMIS, Posizione dello shower nei primi 3 piani OUTPUT Prob di vertice in ciascuno dei primi 4 piani (>97%) Taglio sul numero di fotoelettroni in ogni proiezione  Back Sc. a bassa energia nel modulo a monte (NO Einv dep.)  Eventi con sciami EM, v interagenti a bassa energia brick ( CON wall ) in % DIS QE   e    h (h = ) 78.8 (h = ) Assumendo la rimozione di 1 brick / evento (strategie alternative in studio) Brick finding nel muro selezionato SENZA m Calcolo iterativo del baricentro delle strip colpite (risoluz spaziale 1.1 cm (84%) - 3.5cm (16%) CON m Si utilizza anche il m puntante (risoluz spaziale 94% a 0.8 cm) Sistematiche nel brik finding Soglia energetica per la produzione di tracce Non allineamento delle strips di scintillatori tra loro e coi brik Soglia dell’elettronica (~ 5 p.e.); m a bassa energia ↓ efficienza

40 Eventi dit : distinzione per canale
FONDO PRINCIPALE vt + N → t- + X t- → e-ve vt t- → m-vm vt t- → h- vt (npo) IDENTIFICAZIONE Produzione di charm in eventi di vm CC con decadimenti elettronici senza il m primario rilevato Scattering dei m a grandi angoli Produzione di charm con decadimenti adronici + reinterazioni Perdita di energia caratteristica nei brik Identificazione del m (MS + Spettrometro) Eventi con un kink in cui la particella prodotta non è un elettrone né un m

41 Eventi di t: distinzione “topologica”
kink qkink Long decays “Long” decays kink angle qkink > 20 mrad t  e Progr. Rep. 1999 t  m Progr. Rep. 1999 t  h (np0) Proposal 2000 + r search plastic base I.P. Short decays Pb emulsion film “Short” decays parametro d’impatto I.P. da 5 a 20 mm t  e (DIS)* Proposal t  m *: vertice all’interno dello strato di Pb ove il v ha interagito

42 Tagli cinematici e fondi
SHORT DECAYS CHARM PRODUCTION M(sist.adronico) > 2GeV Segnale/15 Fondo/1000 LONG DECAYS ADRONICI LEPTONICI 2 GeV < pfiglie < 15 GeV identificazioni errata fondo del fascio (e-channel) > 100 MeV (mchannel) > 250 MeV Fondo a livelli ragionevoli adroni primari re-interagenti (CON g ) > 300 MeV (SENZA g) > 600 MeV (*) pfiglie < 2 GeV Ft-H > p/2 pTmiss < 1GeV ; fondo da vm NC abbattuto (GRANDE pTmiss piccolo Ft-H) TOPOLOGIA FONDI TAGLI EFFETTO Ptmiss (GeV/c) t-H nm NC t p/2 1 nel segnale t ed adroni back-to-back pt decay Ptmiss   H t-H P (*): per la bassa % di eventi di vm NC con un g attaccato al decay vtx; inoltre se presente, aumenta il pT misurato, quindi l’efficienza sui a parità di fondo

43 Eventi di “short decays” muonici identificati col Parametro d’Impatto
Segnale m t Background m da CC D0 Signal Background Mass (GeV/c2) 80% 0.2% Event selection Si ricostruisce la massa invariante M delle particelle associate al vertice identificato come primario (almeno 2 tracce) Con una risoluzione in massa del 50% e M > 3 GeV/c2 rimane solo lo 0.2% del fondo da charm Fondi principali Vertice del decadimento di particelle charmate confuso col vertice primario m da nm- CC che simula un evento t  m a causa di un IP grande Contributo all’efficienza di rilevamento del t x BR : 0.7 %

44 Fondi principali Fondi secondari
Produzione di particelle charmate Sezioni d’urto e branching ratio basati sui risultati di CHORUS Scattering di m a grande angolo Scattering dei m da vt CC nel Pb del foglio a valle di quello di vertice: studiati dalla Collaborazione, analisi dei dati in progress Rate dello scattering di m su piombo stimato usando simulazioni di MC includendo i fattori di forma nucleari (cross-checked sui dati di NOMAD) dati di scattering di m a 7.3 GeV/c su rame m visti nelle emulsioni dell’esperimento CHORUS Re-interazioni di adroni con “kink topology”: importante per il canale adronico (vm NC o CC senza attività visibili al vertice primario) e muonico (vm NC in cui c’è misidentificazione m–h o un vero m viene associato ad una traccia adronica) Le attuali stime sono basate sulle simulazioni di GEANT coerenti con i risultati preliminari di esperimenti dedicati ~ 1 x 10-5 ~ 7 x 10-6 Fondi secondari Produzione di vt “prompt” nel fascio e nel bersaglio dei p Contaminazioni da p0 e e- “prompt”

45 Progressi nello studio dei fondi principali
Scattering di m a grande angolo: esperimento dedicato al CERN-PS Fascio di puri m (dampato su 2 m di Fe) s(q) ~ 2mrad, s(p) ~ 0.06*p  risultati preliminari x 10-5 Nm coerenti con le stime del Proposal (1.0 x 10-5) Fondo dai t  m “long decays” da re-interazioni di adroni (anticipati ma non stimati nel Proposal) nm NC interazioni di un adrone identificato come un muone (probabilità del 6%) e associato ad una traccia nelle emulsioni  4.4 x 10-6 x Nnm CC DIS events nmCC interazioni con un falso m confuso con un adrone (probabilità del 2%) nelle emulsioni  2.6 x 10-6 x Nnm CC DIS events

46 Elettronica dei detectors
Steps dell’analisi Trigger Elettronica dei detectors Brick finding Vertex location Emulsioni Decay search: decadimenti “long” o “short” Classicato come nm/ e sì m / e - @ 1_ry vtx ? Emulsioni & Electronica dei detectors no t decay mode Kinematics Efficienze per alcuni step nt events

47 Identificazione di t decay (per eventi con un decay candidato)
e /  / h Tracce primarie: m-ID ed e-ID  reiezione di b.g. da charm falsi m o e  nm / e CC  riduzione del segnale mID = 95% ; eID = 90-98% nofake ( DIS  e, h ) = 87 % nofake ( DIS   ) = 93 % Decadimenti secondari: identificazione: e /  / h Misura dell’impulso di tutte le tracce (multiple scattering, bremsstrahlung) La lunghezza delle tracce necessaria alla misura nelle emulsioni ~ 5 X0 (1 brick “compatto” = 10 X0)  track connection brick-to-brick dove richiesta

48 Ricerca del vertice Accettanza geometrica (effetti di bordo)
vertice a < 1 mm dal bordo del film ~ 3.5 % (conservativo  sperimentalmente < 0.2 mm) vertice nell’ultimo muro del supermodulo ~ 2.5 % Pb-Emulsion brick geom = 94% Vertex finding COME la traccia termina se non trovata in due film consecutivi “scanning-back” di tutte le tracce con tg  < 0.4 CON COSA Simulazioni Monte Carlo basate sui dati (tenendo conto di efficienze di scanning e risoluzioni) Confronto coi dati di CHORUS e DONUT vertex (%) DIS QE   e    h

49 Ricerca dei decadimenti (I)
1. “Long” decays ( ~ 39 % dei decadimenti del ) cioè nel I o II piano di Pb dopo quello del vertice (trattamenti speciali per decadimenti nelle basette plastiche delle emulsioni)  Pb Long decays Emulsion layers (not to scale) Plastic base Si richiede kink > 20 mrad Assunzione conservativa: ( kink ) ~ 3 mrad (normale) < 1 mrad (speciale) kink kink ~ 90 % per TUTTI i canali di decadimento dei 

50 Ricerca dei decadimenti (II)
2. “ Short” decays (~ 60 % of  decays) cioè vertice nel piano di Pb  I.P. Short decays Pb Emulsion layers (not to scale) Si richiede almeno 1 traccia primaria attorno ad 1 GeV/c primary = 66 % Si richiede Parametro d’Impatto > 5 to 20 m variabile da a monte / a valle del piano di Pb Assunzione conservativa: ( I.P. ) = 0.3 ~ 0.6 m I.P. = 45 %

51 Risoluzione intrinseca del tracking
grano di Ag dopo lo sviluppo dx M.I.P. Track Rivestimento automatico  diluizione del gel  perdita di sensibilità Traiettoria fittata (retta) 100mm s = 0.06 mm Compton Electron Fog M.I.P. Track dx: scarti dei centri dei grani rispetto alla traiettoria fittata con una linea retta; questa costituisce la risoluzione intrinseca s ρ=2.40 gr/cm3 ; <A>=18.2 <Z>=8.9 ; χ0=5.5cm dE/dxmip=1.55 MeV/gr*cm² λI=51cm Grain Density ~30/100mm per una MIP Grain Size 0.2mm (original crystal)  sviluppo mm (visile al microscopio) 0.2m/12 = m “Nebbia”: deposito accidentale di grani; dipende dalle condizioni di sviluppo (OK 20°); è un fondo da mantenere < 5 fog/103 mm3

52 Accuratezza del Tracking
(angolo) = ~2mrad (posizione) = 0.21m (per tracce base) Limiti da dimensioni dei pixel della camera CCD (0.3mm) Passo della lettura della coordinata (0.5 mm) L’accuratezza intrinseca è: (θ) = 0.4 mrad (x) = 0.06 m ~ 50 grani/mm per una mip s = 2.1 mrad s = 1.9mrad

53 Misura dell’impulso dal MS: il metodo angolare
La RMS dell’angolo di θsc di una particella CARICA di impulso p e velocitàβc che attraversi uno strato di materiale misurato in lunghezze di radiazione (Pb 1/5.6) vale: Th di Molière pertanto il Maximum Detectable Momentum (MDM) (scattering in una cella, 1mm di Pb) > 2dq vale: Si misura la differenza degli angoli delle tracce base in due film successivi MDM = 1.4GeV/c con sq= 2.1mrad (readout corrente ) MDM = 7.1GeV/c con sq= 0.4mrad (limite intrinsico ) ~10% su una ECC ( 552=110 misure ) La superficie dei fogli di Pb dev’essere liscia (dL ~ 10 mm, OK), parallelismo > 1mrad NON è richiesta un’altissima precisione nell’allineamento

54 aumenta il MDM nel metodo angolare
MEDIARE le misure su più angoli aumenta il MDM nel metodo angolare MDM = 1.4 GeV/c con sq= 2.1mrad ( attuale readout ) MDM = 2.0 GeV/c con sq= 1.7mrad ( mediando 4 misure ) MDM = 7.1GeV/c con sq= 0.4mrad (limite intrinsico) ALTERNATIVA Misurare la sagitta invece dell’angolo di scattering  “COORDINATE METHOD”

55 Misura dell’impulso dal MS: il metodo delle coordinate
MDM maggiore rispetto al metodo angolare; braccio di leva più lungo richiede un preciso allineamento tra tre film  accuratezza OK con l’esposizione ai cosmici MDM = 5.9 con sx=0.21mm, s =0.4 mrad Spostamento Dx qM=Dx / L Cosmici per l’allineamento KEK MDM si arriva a 39.1GeV/c con s = 0.06mm (limite intrinseco)

56 Identificazione degli elettroni
C_ Si conta il numero di tracce associate allo shower: A_ Si rivela la creazione di coppie lungo la traiettoria: Piatto di Pb Emulsion Sheet g e e+ L R e- Ricerca in una regione limitata (spessore dei brick 10χ0  shower ben contenuto in un brik; da ciò si ricava anche E se si fermano nello stesso brik Ee(x)=E0e (-x/χo) B_ Si rivela l’energia persa: e : bremsstrahlung adroni : ionizzazione ( E0 nel range fisico, il χmin identifica la particella e determina E0) Eh(x)=E0(1- x · dE/dx)

57 Rivelamento dei g - FOTONI prodotti al vertice primario (da p0 decays) che convertono in coppie e+e- nel medesimo foglio di Pb identificati se: l’angolo tra elettrone e positrone q (e+e- ) > 3mrad (dalla risoluzione angolare delle emulsioni) oppure Se q (e+e- ) < 3mrad, taglio sulla DENSITA’ DI GRANI PER FOGLIO DI EMULSIONE della traccia carica (~ 30 per le mip, ~ 60 per una coppia e+ e- ) (in studio) g dai p0 Importanti nel canale t → h per: meglio misurare il pT miss totale (permette di ridurre il fondo da reinterazioni adroniche) identificare il canale t → v ρ(→gg) (BR 27%) Test experiment al CERN PS 8 GeV/c - interaction in OPERA-type ECC

58 Identificazione dei muoni: ECC + T
Identificazione dei muoni: ECC + T.T + spettrometro (Studiato con MC di vm CC e v → τ) layers ≥ 10 + isolation → μ ! Topologie possibili Muon Identification si combina info topologiche, isolamento della traccia (# di piani con solo quella, distanza tra la traccia e centroide delle altre hits), energia (dal range); in studio discriminazione sulla consistenza tra range dallo spettrometro ed impulso dal MS 6.3% 11.3% 82.4% →μ ! 1% connesso con la densità di grani nell’emulsione; Target Dalle ECC Spettrometro La massa di una particella in regime non relativistico si può ricavare dalla sua perdita di energia nelle vicinanze dell’ arresto: I = dE/Dx = k/b² E=Mb²/2  M= (4/k)I²x Con 10 misure indipendenti (m e p in ~10 film prima di fermarsi): dM/M = 0.12 ( dM(p)= 16 MeV)  Si può utilizzare nell’analisi delle tracce per distinguere m da p ! Global Tracking Linearizzazione a 5 parametri (posizioni, pendenze e 1/p della traiettoria ad un dato piano), minimizzazione iterativa del χ² che considera anche il dE/dx, le correzioni da MS e per l’energia anche il range totale ove presente

59 Sommario delle efficienze di rilevamento dei t (in % , includendo il BR)
DIS long QE long DIS short Overall* e 2.7 2.3 1.3 3.4 m 2.4 2.5 0.7 2.8 h 3.5 - 2.9 Total 8.0 8.3 9.1 (8.7) t Efficienza nel Proposal *somma pesata di eventi DIS e QE

60 Simulazioni Studi sulle sistematiche nelle simulazioni connesse con:
da CHORUS, DONUT e NOMAD Risoluzioni angolari e sulla posizione Efficienza di ricostruzione delle tracce …... dai test beams (CERN, Fermilab) Risposta dell’elettronica di tracking Efficienza del Brick finding Efficienza del Trigger Variazioni dell’impulso da Multiple Scattering Identificazione di elettroni e muoni Stime dei fondi Studi sulle sistematiche nelle simulazioni connesse con: Modelli di frammentazione (molteplicità ed energia delle hit, event shape) presenza del dead material (materiale di supporto) Per le strip: produzione e raccolta dei fotoelettroni, propagazione delle fibre ottiche

61 Migliorie nella simulazione e ricostruzione degli eventi
Event Generator - Tunato sui dati di NOMAD - Simulazione delle reinterazioni coi nuclei di Pb  aumentata moltiplicità dei vertici secondari  softening dello spettro degli impulsi n Tracking dei detectors elettronici Utilizzo di algoritmi di Kalman filter  aumentata risoluzione angolare per le tracce m : 40  20 mrad Identificazione dei muoni Algoritmi di matching tra la traccia dei muoni dei detectors elettronici e quella ricostruita nelle emulsioni

62 Numero di eventi previsto (5 anni di run in shared option, 1 brick removal strategy)
Full mixing, Super-Kamiokande best fit and 90% CL limits Decay mode Signal 2.5*10-3 3.0*10-3 t e 2.75 4.30 6.19 3.4 m 2.25 3.52 5.06 2.8 h 2.34 3.66 5.27 2.9 Total 7.3 11.5 17.2 9.1 e*Br (%) 0.21 0.22 0.28 0.71 BKG 2.0*10-3 Aumenti delle rates già calcolati in caso di di fascio potenziato

63 Significanza Statistica
m2 (eV2) eventi attesi in 5 anni (log scale) Pns = probabilità che il fondo simuli il segnale se #ev. osservati  Nns P4s = 6.3x10-5 P3s = 2.7x10-3 Events observed Significance (equivalent s)  6 eventi  4s discovery ! Poisson distribution of the expected background #evts observed Nns N4s Il numero di eventi necessario per un claim a 4s è definito come il limite superiore al x10-5 del CL di una distribuzione poissoniana con valor medio corrispondente al numero di eventi di fondo attesi

64 Sensibilità alle oscillazioni nm nt
5 anni 3 anni La sensibilità è calcolata come la media del limite superiore che sarebbe ottenuto, in assenza di segnale, da un insieme di esperimenti identici → Simulato un gran numero di esperimenti con parametri di oscillazione generati in accordo alla distribuz di prob. di SuperK Limite superiore 90% CL, Full Mixixng Dm2 > 1.5 x 10-3 eV2 (3 anni) Dm2 > 1.3 x 10-3 eV2 (4 anni) Dm2 > 1.2 x 10-3 eV2 (5 anni) Incertezze su fondi (±33%) e sulle efficienze (±15%) incluse

65 excluded by SuperKamiokande
Determinazione dei parametri di oscillazione (approccio statistico unificato Feldman & Cousin) 90 % CL limits * m2 ( 10-3 eV2 ) Upper limit Lower limit 10-1 ~ 18 eventi, ~ 1bkg 10-2 OPERA 90% CL in 5y Dm2 (eV2) excluded by SuperKamiokande 10-3 sin2(2q) *Si assume l’osservazione di un numero di eventi corrispondente a quelli attesi per un dato m2 dai Best Fit di SuperK

66 Sensibilità alle oscillazioni vm ve
Ottima capacità di ricostruzione dei decadimenti del t Buona Particle Identification (separazione g-p) OPERA è in grado di prodursi in una ricerca nel canale vm → ve Si guarderà ad un eccesso di eventi di ve CC cercando interazioni di v con un candidato e- dal vertice primario Per questo è essenziale la capacità di distinguere le tracce di elettrone singolo dalle coppie provenienti dalla conversione di g nel Pb; MEMO Risoluz energetica per shower EM nel range di CNGS 20%, (~ costante) separazione tar 2 tracce: ~ 1mm Risoluz. angolare sulle tracce cariche ~1 mrad  dp/p ~ 20% dal MS Rimozione addizionale di briks prevista ~13% fondo da eventi di vm CC e NC  taglio + soffice in E(e-) E(e-) > 1 GeV g soffici Evisisbile < 20 GeV contaminazione di ve “prompt” # grani per foglio della traccia dell’e pTmiss > 15 GeV eventi NC ed t  e TAGLIO FONDO Sul flusso di ve si assume un errore del 5%

67 Cercando q13 La rate di eventi sarà:
ove ciascun termine di segnale e fondi sarà convoluzione del flusso atteso, della prob. di transizione, della sezione d’urto e dell’efficienza di quel canale fattore di normalizzazione connesso con la massa del detector Probabilità di confondere un evento di vmCC con uno di vmNC con una traccia che mima un e- Efficienza per eventi di veCC dalla contaminazione del fascio Fondo proveniente dai decadimentidei pioni neutri creati nelle interazione di NC

68 Oscillazioni vm ve : segnale, efficienze e fondi
q13 sin q23 ve CC segnale vm CC → vm NC t → e vm NC beam 9° 0.095 9.3 1.0 4.5 5.2 18 8° 0.076 7.4 7° 0.058 5.8 4.6 5° 0.030 3.0 3° 0.011 1.2 4.7 m23 2 = 2.5 x eV 23=45° anni di data-taking x : = prodotto delle efficienze di brik/vertex finding, trigger, volume fiduciale e := efficienza finale Segnale t → e vm CC → vm NC 0.31 0.032 0.34 x 10-4 vm NC 0.53 0.082 ve CC beam ve CC x e 7.0 x 10-4 0.48 0.52 t → e comprende il Br di t → evv

69 Cercando q13 Dm232=3.5x10–3 eV2; sin22q23 = 1; sin22q13 = 0.05
Per distinguere gli eventi vm→ vt / ve si può guardare alle cinematica degli eventi: il segnale principale ha 2v nello stato finale → maggior pT miss, minor Evis Dm232=3.5x10–3 eV2; sin22q23 = 1; sin22q13 = 0.05 → Nello spettro dell’energia visibile ricostruita per eventi di elettrone si evidenzia l’eccesso dovuto alle oscillazioni in un neutrino del e- ICANOE ICANOE Reconstructed energy Transverse missing PT

70 Distribuzione del pT miss per segnale e fondo previsti ad OPERA
Cercando q13 Distribuzione del pT miss per segnale e fondo previsti ad OPERA Fittando le distribuzioni cinematiche degli eventi selezionati  aumento in sensibilità per q13 ~ 20 %  vt Per ricavare i parametri di oscillazione: misura del rapporto degli eventi vm NC/CC := R (R0) con (senza oscillazioni); Deviazioni da R0 → numero di deviazioni standard sR sul rapporto NC/CC Segnale di oscillazione al 90% CL se la deviazione (R- R0)/R >1.25 sR Dm223=2.5 x 10–3 eV2 sin22q23 = 1 q13 = 8°

71 Sensibilità stimata per le oscillazioni nm  ne in presenza di nm  nt , mixing a 3 famiglie
Energia visibile e impulso trasverso mancante combinati in un plot in cui i sono liberi; minimizza il χ² dei in ciascun bin. Fittando simultaneamente Evis, PTmiss, Eel (misurate + smearing per la risoluzione finita) con q23 =45° si ottiene il grafico di esclusione al 90% CL Miglioramento di un fattore 5 dell’attuale limite su sin2 Dm2 = 2.5 x 10–3 eV2 e q23 = 45° 5 CNGS

72 Guardando avanti… …chi vivrà vedrà!
Attacco dei MOLTI altri parametri mancanti: * valori assoluti delle masse * loro gerarchia * CP-violation nel settore leptonico * Dirac VS Majorana etc Fasci di v più intensi, detector più massivi Neutrino Factories Anelli di accumulazione per m …chi vivrà vedrà!

73 RITAGLI

74 OPERA scanning station
Sistemi con differenti metodi di redout si stanno sviluppando anche in Europa

75 Studiata in CHORUS e DONUT da NetScan
Accuratezza del puntamento dal vertice di una coppia di e- dalla conversione di g Studiata in CHORUS e DONUT da NetScan (profondo ½ X0 in ECC) Dq (mrad) CHORUS 20 40 10 events da altri punti dal vertice di interaz. DONUT (ECC Fe-emulsion) Dq (mrad) 20 40 events da altri punti dal vertice di interaz. Dq e-pair Importante per aumentare la sensibilità al processo t  h n po

76 Efficienza per un long decays t  h : 2.3  2.9 %
Eventi “long decays” adronici Maggior efficienza per t  r  p- p0 con assegnazione del vertice dai g 1 -1 mm 10 30 20 40 -2 ECC test p po (charge exchange) B.R.= 25.4% (49.5% per tutti i t  h) g associati al vertice primario o di decadimento a seconda del Parametro d’Impatto Per i g assegnati al vertice di decadimento  miglior risoluzione in pt decay  tagli più soffici e maggior efficienza Miglior risoluzione sul missing pt Probabilità per un’interazione adronica di produrre un g puntante al vertice di decadimento O(1%)  no ulteriore background pt decay Efficienza per un long decays t  h :  2.9 % (includendo una riduzione del 10% nell’efficienza di brick finding e del 20% dovuta alle re-interazioni coi nuclei nell’event generator)

77 Electron ID in Emulsion Module