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Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 D’Ambrosio N.. Kamiokande SuperKamiokande Kamiokande SuperKamiokande GALLEX GNO Kamiokande SNO SuperKamiokande GALLEX.

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Presentazione sul tema: "Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 D’Ambrosio N.. Kamiokande SuperKamiokande Kamiokande SuperKamiokande GALLEX GNO Kamiokande SNO SuperKamiokande GALLEX."— Transcript della presentazione:

1 Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 D’Ambrosio N.

2 Kamiokande SuperKamiokande Kamiokande SuperKamiokande GALLEX GNO Kamiokande SNO SuperKamiokande GALLEX GNO Kamiokande SNO SuperKamiokande Neutrini Solari Neutrini Atmosferici Kamiokande Super-Kamiokande Kamiokande Super-Kamiokande Neutrini da Supernova K2K MINOS ICARUS OPERA T2K K2K MINOS ICARUS OPERA T2K Neutrini LongBaseLine KamLAND Neutrini da Reattore

3 Gallex / GNO Neutrini Solari Gallex / GNO Neutrini Solari SNO Neutrini Solari SNO Neutrini Solari Rivelatore al Gallio Bassa energia < Mev Rivelatore al Gallio Bassa energia < Mev Rivelatore ad acqua pesante Rivelatore ad acqua pesante

4 Neutrini solari (ν e ) Meccanismi di produzione Spettro energetico Tecniche sperimentali: Rivelatori Cherenkov:SuperKamiokande, SNO Esperimenti radiochimici: Davis, Sage, Gallex

5 Neutrini solari (ν e ): esperimenti radiochimici. GranSasso 30.3 T di gallio, soluzione concentrata di GaCl 3 -HCl 71 Ga + ν e -> 71 Ge + e- Si conta il numero di atomi di 71 Ge utilizzando il loro decadimento radioattivo Soglia: 233 KeV Possibilità di rilevare neutrini a bassa energia usando la fusione p-p

6 Gallex-Sage results

7 1000 T D 2 O (Acqua pesante) 12 m diametro contenitore acrilico cmPMTs (~60% photocathode coverage) 1700 T inner shielding H 2 O 5300 T outer shielding H 2 O Urylon liner radon seal Profondità: 2092 m Sudbury Neutrino Observatory (Creighton mine, Canada) Neutrini solari (νe): SNO Sudbury Neutrino Observatory (Creighton mine, Canada)

8 Sudbury Neutrino Observatory

9 Neutrino Reactions in SNO -good measurement of e energy spectrum  e only - equal cross section for all active flavors NC xx    npd ES    e−e− e−e− x - low statistics - mainly sensitive to e, some  and  - strong directional sensitivity CC e−e− ppd  e x

10 Neutrini da reattore:KamLAND

11 KamLAND Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector 1 KTon di scintillatore ” fast PMTs ” large area PMTs 34% photocathode coverage H2O Cerenkov veto counter 1000 m in profondità (miniera di Kamioka, Giappone)

12 Neutrini da reattore: KamLAND I reattori Nucleari sono una sorgente molto intensa di ν e derivanti dal decadimento beta dei neutroni reazione  inversa Gli eventi vengono segnati dalla coincidenza in tempo, spazio ed energia della cattura del neutrone p + nd + γ (2.2 MeV) ν e + pe + + n τ≈200μs Cerca il deficit di ν e e la distorsione dello spettro di energia alla distanza L Cerca il deficit di ν e e la distorsione dello spettro di energia alla distanza L

13 KamLAND Sul grafico è riportata la distribuzione L 0 /E (L km) nei casi di : Decadimento del neutrino Decoerenza del neutrino Oscillazione del neutino

14 Super-Kamiokande Neutrini Atmosferici e Solari Super-Kamiokande Neutrini Atmosferici e Solari K2K KEK -> Super-Kamiokande Neutrini Long BaseLine K2K KEK -> Super-Kamiokande Neutrini Long BaseLine T2K J-PARK-> Super-Kamiokande Neutrini Long BaseLine T2K J-PARK-> Super-Kamiokande Neutrini Long BaseLine Rivelatore ad acqua Effetto Cerenkov Rivelatore ad acqua Effetto Cerenkov Fascio di neutrini da acceleratore E = 1,3 Gev (E = 1,3 Gev) Fascio di neutrini da acceleratore E = 1,3 Gev (E = 1,3 Gev) Fascio di neutrini da acceleratore E  0,7 Gev (E  0,7 Gev ) Fascio di neutrini da acceleratore E  0,7 Gev (E  0,7 Gev )

15 Neutrini Atmosferici

16 SuperKAMIOKANDE 50,000 T di acqua pura (Fid. Mass is 22,500 T) 11,146×(50cm φ PMT) : Rivelatore Interno 40% photo-cathode coverage 1,885×(20cm φ PMT) : Rivelatore esterno 1000 m in profondità (miniera di Kamioka) Il rivelatore esterno è utilizzato per poter identificare i muoni provenienti dall’esterno ed anche per schermare il rivelatore interno dai raggi gamma e neutroni provenienti dalla roccia

17 Luce Cerenkov Se le particelle si muovono più veloci della luce in quel mezzo, emettono una “shock wave” di luce Per l’acqua, n( nm)~ Angolo di soglia: 42 o

18 Indentificazione delle particelle Effetto Cerenkov ν electron Photomultiplier tube (PMT)

19 Eventi da Neutrino atmosferico SK FC (fully contained) PC (partially contained) ν ν ・ Both CC e and  ・ Need particle identification to separate e and  ・~ CC  ~ events (Super-K) ~ 900 events (Super-K) Upward going muon ν ・~ CC  ~ 1900 events (through, SK) ~ 420 events (stopping, SK)

20 Esempi di eventi Single Cherenkov ring electron-like event Single Cherenkov ring muon- like event Color: timing Size: pulse height Outer detector (no signal)

21 Conferma del fenomeno delle oscillazioni osservato con i neutrini atmosferici (SK) Misura più precisa dei parametri dell’oscillazione sin 2 2  (∆m 2, sin 2 2  Fascio di  Fascio di  Spettro di energia simile aSpettro di energia simile a quello dei neutrini quello dei neutrini atmosferici atmosferici Long Baseline (250 Km)Long Baseline (250 Km) K2K

22 K2k Near detectors 1KT Acqua Rivelatore Cerenkov 1KT Acqua Rivelatore Cerenkov Fibre Scintillanti/Acqua Rivelatore (SciFi) Fibre Scintillanti/Acqua Rivelatore (SciFi) Muon Range Detector (MRD) Muon Range Detector (MRD) L’analisi dei dati ha confermato il deficit precedentemente misurato: 108 eventi misurati 150(+11,6, -10,0) eventi attesi Spettro di energia compatibile (deviazioni significative tra near e far detector) L’analisi combinata con i dati del near detector dà una probabilità di che ciò dipenda da fluattuazioni statistiche

23 K2K 250km JAER I T2K Tokai to Kamioka Realizzazione del nuovo acceleratore per protoni da 50 Gev (J-PARK) Sarà possibile ottenere un fattore 100 di incremento nel rate degli eventi

24 I dati sul neutrino atmosferico di SK sono spiegati con l’oscillazione   , with: I dati sul neutrino atmosferico di SK sono spiegati con l’oscillazione   , with:  m 2 =1.9 – 3.0 × eV 2  m 2 =1.9 – 3.0 × eV 2 sin 2 2  > 0.90 (SK L/E analysis) sin 2 2  > 0.90 (SK L/E analysis) Recentemente l’analisi di L/E ha mostrato evidenza di un segnale di “oscillazione” Recentemente l’analisi di L/E ha mostrato evidenza di un segnale di “oscillazione” Nessuna evidenza di oscillazioni   e : da investigare Nessuna evidenza di oscillazioni   e : da investigare K2K ha confermato le oscillazioni del neutrino usando un fascio da acceleratore. K2K ha confermato le oscillazioni del neutrino usando un fascio da acceleratore. I risultai di SK e K2K sono in buon accordo I risultai di SK e K2K sono in buon accordo T2K partirà nel 2009 è permetterà di indagare più a fondo il fenomeno T2K partirà nel 2009 è permetterà di indagare più a fondo il fenomeno Sommario: Super-Kamiokande, K2K, T2K

25 Oscillazione dei Neutrini Esperimenti Long Base Line Numi-MINOS CNGS : OPERA/ICARUS

26 ICARUS Imaging Cosmic and Rare Underground Signals Programma di Fisica :  Neutrini Solari, Atmosferici e da Supernova  Esperimento Long Baseline ricerca diretta di ν μ -> ν τ e ν μ -> ν e  Ricerca del decadimento del protone

27 Densità 1.4 g/cm 3 Lunghezza di radiazione 14 cm Lung. di interazione 80 cm dE/dx(mip) = 2.1 MeV/cm 1 bar Drifting Ionizing Track e-e- light Circa coppie electrone-ione prodotte per mm (mip track) La luce emessa dà il t 0 Solo gli elettroni contribuiscono al segnale osservato, poichè la loro mobilità è maggiore di quella degli ioni Con Argon puro -> drift degli elettroni su distanze macroscopiche Bersaglio e rivelatore allo stesso tempo ICARUS Rivelatore ad Argon Liquido: Induction Plane I Induction Plane II

28 ICARUS Camera a Bolle Elettronica X,Y, time

29 ICARUS eννeνν τ μνν h - ν h 0 ν h - h + h - n h 0 ν Reazione primaria: ν τ + Ar -> τ + jet CNGS : ν μ ν τ oscillations CNGS : ν μ ν e oscillations Reazione primaria: ν e + Ar -> e - + jet

30 Una Seconda-Generazione di esperimento per ricerca del decadimento del protone e un osservatorio per Neutrini al Laboratorio del Gran Sasso ICARUS T Muon Spectrometer

31 OPERA Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus Long baseline: 732 km C ern N eutrino beam to G ran S asso Ricerca di oscillazioni di neutrino n m ® n t mediante osservazione diretta dell’ apparizione del  in un fascio puro di   ……………..   - + X oscillazione interazione CC 90% 95% 99% 68% 95% 99% 68% 95% 99% Quadro sperimentale (neutrini atmosferici)    ~ 0.6 mm                 e     e  Kink  h     n             n    Multiprong Per rilevare il decadimento del   è necessaria una risoluzione micrometrica

32 Il rivelatore OPERA Rivelatore IBRIDO (elettronica + bersaglio Pb/emulsioni): 2 supermoduli – Massa rivelatore 1766 Ton. 2 supermoduli – Massa rivelatore 1766 Ton. 2 Spettrometri a Magnete con RPC & Drift tubes 2 Spettrometri a Magnete con RPC & Drift tubes 2 x [31 Target Tracker and Target Walls] 2 x [31 Target Tracker and Target Walls] 206,336 “ECC bricks” (Pb/Emulsione) 206,336 “ECC bricks” (Pb/Emulsione) 12 Mil. di fogli di emulsione 12 Mil. di fogli di emulsione Sala C dei LNGS Basato sul concetto del Emulsion Cloud Chamber (ECC) Basato sul concetto del Emulsion Cloud Chamber (ECC)

33 8 m Target Trackers Pb/Em. target Rivelatore Elettronico  Seleziona il Brick dell’interazione OPERA in Run Analisi delle Emulsioni  Ricerca del vertice Estrazione del Brick selezionato Pb/Em. BRICK 8 cm  Ricerca del decadimento  spectrometer Lead  1 mm EMULSIONE (42 micron )  Basato sul concetto del Emulsion Cloud Chamber (ECC) Basato sul concetto del Emulsion Cloud Chamber (ECC) Unità di base il Brick

34 Analisi delle Emulsioni : Microscopi automatizzati Attuali prestazioni del ESS Velocità di scanning ~ 20 cm 2 /h/lato Efficienza di ritrovamento micro-traccia ~ 95% Allineamento lastra-lastra (8 GeV/c  s) ~ 0.5  m Risoluzione angolare ~ 2 mrad Standardized Optics (Nikon) and Mechanics (Micos) Standardized Optics (Nikon) and Mechanics (Micos) CMOS camera up to 500 fps CMOS camera up to 500 fps State-of-art Image processor State-of-art Image processor (Matrox Odyssey) and PCI-X workstation (Matrox Odyssey) and PCI-X workstation New asyncronous DAQ software New asyncronous DAQ software ESS: European scanning system (analogo sistema sviluppato in Giappone) D’Ambrosio N., Nucl. Instr. and Meth A 525 (2004) 193–198 Grani frame 2-3  m

35 Video sequenza di una traccia in emulsione Sequenza di 20 immagini (step 2 mm su 42 mm di emulsione Sequenza di 20 immagini (step 2 mm su 42 mm di emulsione emulsione Supporto plastico 200  m Obbiettivo

36 0  m + 21  m + 36  m + 54  m dal vertice 100  m Piani focali differenti Profondità focale ~ 3  m Emulsione Nucleare Vertice da interazione di  (CHORUS) Le tracce interessanti appaiono come punti

37 MINOS Detectors located on NuMI beam axis Near Detector (1kt) is located at Fermilab, ~1km downstream of target Far Detector (5.4 kt) is 735km away in Soudan mine, Minnesota Near and Far detectors have the same basic design: steel-scintillator sandwich 2.54 cm of steel + 1cm of solid scintillator (U and V) alternate planes have orthogonal strip orientations Misura del rapporto tra lo spettro di energia del neutrino nel far detector (oscillated) rispetto a quello nel near detector (unoscillated)

38 Long Baseline Experiments: MINOS 1 kt 282 planes 3.8m high Calorimeter section: first 121 planes Spectrometer section: rear 161 planes, reduced sampling 5.4 kt 485 planes detector composed of 2 modules, 15m long, 8m high active veto shield (scintillator-modules) NEAR detector FAR detector

39 Demonstrate oscillation behaviour confirm flavour oscillations describe data provide high statistics discrimination against alternative models: decoherence, n decay, extra dimensions,etc. Precise Measurement of Δm 23 Search for sub-dominant ν μ v e oscillations ~10 % MINOS is the 1 st large deep underground detector with a B-field + first direct measurements of vs oscillations from atmospheric neutrino events Long Baseline Experiments: MINOS

40

41

42 E p (GeV)Power(MW) Bea m 〈 E 〉 (GeV)L(km) M det (kt)  CC  CC(/yr) K2K WB ~50~1% MINOS(LE)1200.4WB ~2,5001.2% CNGS4000.3WB18732~2~5,0000.8% T2K-I500.75OA ~3,0000.2% NO A OA~2810?50~4,6000.3% C2GT4000.3OA0.8~12001,000?~5,0000.2% T2K-II504OA0.7295~500~360,0000.2% NO A+PD 1202OA~2810?50?~23,0000.3% BNL-Hs281WB/OA~12540~500~13,000 SPL-Frejus2.24WB ~500~18,0000.4% FeHo8/120“4”WB/OA1~31290~500~50,000 I II III

43 Performances attese signal (  m 2 = 1.9 x eV 2 ) signal (  m 2 = 2.4 x eV 2 ) signal (  m 2 = 3.0x eV 2 ) BKGDOPERA 1.8 kton fiducial 6.6 (10) 10.5 (15.8) 16.4 (24.6) 0.7 (1.1) + brick finding + 3 prong decay 8.0 (12.1) 12.8 (19.2) 19.9 (29.9) 1.0 (1.5)  0.8 (1.2) (…) con l’ upgrade del fascio CNGS (X 1.5)


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