Le attività della CSN2 Alessandro Cardini / INFN Cagliari CSN1, 17 maggio 2004.

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1 Le attività della CSN2 Alessandro Cardini / INFN Cagliari CSN1, 17 maggio 2004

2 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari2 Le Attività della CSN2 Per il 2004 i finanziamenti della CSN2 (pari a circa 32 M€ per l’anno 2003) sono così ripartiti: Neutrino physics31% Search for rare processes 6% Cosmic rays ground & underwater exp.21% Cosmic rays in Space25% Search for gravitational waves13% General physics 4%

3 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari3 Gli Esperimenti della CSN2 (2004) Neutrino physics – BOREXINO GNO HARP ICARUS K2K LENS-RD MANU2 MIBETA OPERA Search for rare processes – CUORE DAMA LVD Study of the cosmic rays by ground based and underwater experiments – ANTARES ARGO-YBJ AUGER MAGIC NEMO-RD SLIM Study of the cosmic rays by experiments in the space – AGILE AIRWATCH-RD AMS2 CREAM GLAST WIZARD Search for gravitational waves – AURIGA LISA-PATHFINDER RAP-RD ROG VIRGO MAGO General physics – GGG MAGIA MIR-RD PVLAS

4 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari4 La Fisica dei Neutrini Iniziativa ObiettivoNote BOREXINO solari Real-Time low Threshold GNO catena pp LENS-RD R&D Tecnico ICARUS CNGS anche solari, atmosferici e da SN + Proton Decay OPERA  appearance LVD da Supernove HARP Sez. d’urto Adroproduz. K2K Oscill. long baaseline Solo disappearance NUFACT Studio nuove iniziative su

5 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari5 Neutrini Solari Soluzione del “problema dei neutrini solari” in termini di oscillazioni ormai consolidata grazie a Superkamiokande, Gallex, SNO, KAMLAND I prossimi esperimenti hanno il compito di perfezionare le misure e di estendere il range osservativo al fine di: – vincolare i parametri nella matrice di mixing – verificare l’effetto MSW – offrire un supporto osservazionale il più ampio possibile all’astrofisica solare Esperimenti di terza generazione ad elevata sensitività e rigoroso controllo delle sistematiche: GNO e Borexino

6 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari6 GNO Rivelatore spento in agosto 2003 ed in fase di decommissioning Possibilità di riutilizzare il gallio di SAGE per arrivare ad 80 t  nuovo osservatorio di neutrini solari, costi in fase di valutazione GNO (31/08/2003) 62.9 ± 5.4 ± 2.5 SNU GALLEX77.5 ± 6.2 +4.3 -4.7 SNU GALLEX+GNO69.3 ± 4.1 ± 3.6 SNU 58 solar runs (1713 days) e 12 blank runs:

7 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari7 Borexino Scopi principali: Misura del flusso dei neutrini solari di bassa energia Studio delle oscillazioni di neutrino 2004 Fine installazione e riempimento con acqua 2005 Preparazione e purificazione dello scintillatore ed inizio riempimento finale 2006 Completamento del riempimento più “tuning” dell’apparato ed inizio presa dati 2007-2008 Presa dati e loro analisi

8 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari8 CNGS Beam ed esperimenti ottimizzati per “  appearance” Completate strutture sotterranee, estate 2003 Pronto estate 2006 Produzione di  via interazioni CC

9 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari9 Opera 2000 t rivelatore ibrido Pb/emulsione Emulsioni (sub-micron resol.) per vedere il tau Spettrometro (RPC + magnete) per il  + Studio oscillazione     osservazione  Studio oscillazione   e  Misura sin 2 2  13 (> 0.06)

10 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari10 Primo spettrometro in fase di assemblaggio (finito entro estate 2004) Emulsioni in fase di consegna Fine assemblaggio nel corso del 2006  primo run con fascio nel 2006  5 anni di run @ 6.76 x 10 19 pot/year 11/03/2004 2.5x10 -3 eV 2 0.06  7°

11 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari11 ICARUS TPC ad argon liquido con elevata granularità e risoluzione spaziale ed energetica. – Rivelatore general-purpose di eventi rari fisica del neutrino –CNGS, atmosferici e solari, da Supernove decadimento del nucleone – Per il CNGS: rivelatore modulare 3000 t (sala B @ LNGS) Appearance del  Alta efficienza nell’identificazione del e  e appearance  misura di  13 T600T1200

12 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari12 ICARUS CNGS    appearance – Diversi canali di decadimento del , elettrone golden channel, 10- 50 eventi (  m 2 =  0 -3 eV 2) in 5 anni CNGS   e subleading da Supernove atmosferici solari Decadimento del Nucleone

13 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari13 K2K: Kek to Kamioka Long baseline neutrino oscillation experiment Piccola partecipazione italiana (RM1) in SciBar + EC SciBar goal: Measure flux and neutrino interaction properties in the 0.5-1 GeV energy range, relevant for oscillation

14 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari14 K2K - Current Results Number of SK events (K2K-I) – Expected: 80+6.2-5.4 – Observed: 56 Neutrino energy spectrum – SK single ring m-like Best Fit (flux+shape) Data Best Fit 0.6 GeV No oscillation Shape only. normalised by area

15 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari15 Il futuro in Giappone T2K @ JPARC, 50 GeV PS, 0.75 MW, 330. 10 12 ppp, starting 2007, to user in 2008 Neutrino beam approved, 295 km da SK – Discovery of  13 down to sin 2 2  13 =0.006 ( e appearance) – Precision measurement of sin 2 2  23 (±0.01) and  m 2 23 (±10 -4 eV 2 ) – Discovery/constraint sterile components through NC Open meeting in corso, entro fine anno proposta T2K, June 2005 proposta completa in CSN2

16 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari16 E poi…? 2009-2014: Superbeam, Betabeam, CERN neutrino beam to Frejus > 2014: NUFACT… Attività coordinate da ECFA (European Committee for Future Accelerator) e da BENE (Beams for European Neutrino Experiments, a Networking Activity (N3) in the framework of CARE (Coordinated Accelerator R&D in Europe)

17 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari17 Eventi rari e basse energie DAMA/LIBRA/1T WARP rivelazione diretta di materia oscura non Barionica CUORICINO-CUORE GENIUS (proposta) ricerca del decadimeto doppio beta senza neutrini MANU2 – MIBETA misure calorimetrica di massa del neutrino con decadimenti beta di bassa energia MUNU Misura del momento magnetico del neutrino. Attività conclusa con un limite di 1.0 x10 -10   (95%  CL)

18 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari18Dama/Libra Ricerca diretta: misure del nuclear recoil energy in WIMP-nucleus scattering Investigating the presence of a WIMP component in the galactic halo by the model independent WIMP annual modulation signature Dama: 100 kg NaI (Tl), finito 2002 Libra: 250 kg radiopure NaI(Tl), running dal marzo 2003

19 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari19Dama/Libra Perché NaI(Tl)? Tecnologia ben conosciuta, high duty cycle, large mass-scale possible, economico, poco ingombrante, facile da calibrare… Risultato model independent: “The presence of a WIMP component in the galactic halo supported by the data at 6.3  C.L.”

20 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari20 Evidenza di 0  decay? H.V. Klapdor et al., NIMA: “Data Acquisition and Analysis of the 76-Ge Double Beta experiment in Gran Sasso 1990-2003”. Nuovo valore 0.1< m  (0.4) < 0.6 eV

21 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari21 Cuoricino R&D sulla struttura di assemblaggio, isolamento meccanico, nuovi cristalli di TeO 2 5x5x5 cm3, procedure di crescita a più basso contributo di contaminanti, affinamento delle procedure di eliminazione dei contributi superficiali Primo risultato in 2003 con una misura di fondo radioattivo (aprile 21 / luglio 19): 25000 kg hours (5x5x5): 0.2 counts / keV / kg / d, risoluzione confrontabile o migliore rispetto a MiDBD e fondo migliori

22 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari22 Cuore Concentrerà i risultati degli sviluppi di MiDBD e Cuoricino DBD fondo: 0.003 counts/kev/kg/y DM fondo: 0.02 counts/kev/kg/y Sensinsibilità: 30 meV

23 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari23 Studio Radiazione Cosmica Agile (2005)Astronomia gamma Esperimenti nello spazio Airwatch-RDUHE Cosmic Rays AMS2 (2007)Antimateria, Dark Matter Cream (1 ^ volo dec 2004)Comp. Cosm. Rays primari Glast (2007)Astronomia gamma Pamela (2005)Antimateria, Dark Matter Argo (det. compl. end 2005) Astronomia gamma Esperimenti in superfice Auger (det. compl. 2005)UHE Cosmic Rays Magic (det. completed)Astronomia gamma Slim (analisi dal 2004)Ricerca monopoli magn. Antares (12 lin. nel 2006)Neutrini atmosfericiEsperimenti sottomarini Nemo-RDAstronimia neutrini

24 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari24 Agile (2005) Strumento X e  contemporaneamente nei range 10-40 keV (SuperAGILE) e 30 MeV-50 GeV (GRID = silicon tracker + CsI MCAL) Leggero: 130 kg per il payload, 250 kg per il satellite Grande campo di vista (  steradianti) Eccellente risoluzione angolare: per sorgenti intense, 5'-20' Tempo morto <100  s (da comparare con i 100 ms di EGRET) Trigger basato sui rivelatori al silicio Timing X e  eccellenti (GPS) Ricerca di burst su un grande range dinamico (sub-ms - 60 s) e trigger indipendente di MCAL (300 keV-100 MeV)

25 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari25 Pamela (2005) “PAMELA, a permanent magnet core facility with a variety of specialized detectors, represents a state-of-the-art effort addressing the core of the investigation of the cosmic radiation: origin and evolution of matter in the galaxy, search for antimatter and dark matter of cosmological significance, understanding of origin and acceleration of relativistic particles in the galaxy”. 70cm x 70cm x 120 cm 470 kg 360 W BA, FI, LNF, NA, RM2, TS

26 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari26 AMS2 (2007) BO: TOF – RICH MI: Database calcolo distribuito PG: Silicon Tracker PI: ECAL ROMA1: TRD Lavoro di analisi dati distribuito su tutte le sezioni h/e = 10 -6 ECAL +TRD combined “An experiment to search in space for dark matter, missing matter & antimatter on the International Space Station”

27 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari27 Magic International collaboration building a 17 m Cherenkov Telescope for the observation of HE cosmic  –rays. Detect  –ray sources in the unexplored energy range: 30 (10)  250 GeV MAGIC was a challenging design to decrease the energy threshold, by pushing the affordable technology in terms of mirror size, trigger, mechanical stability, camera and electronics development Lowest energy threshold ever obtained with a Cherenkov telescope!!! 17 m Ø, F / 1 ORM, La Palma 2200 m a.s.l. Padova, Siena, Udine Inaugurato 10/10/2003 In calibrazione Run fisica da estate 2004

28 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari28 Auger “An International Facility to study the Highest Energy Cosmic Rays” Surface Detector (1600 tanks) Oltre 350 tanks installate, 249 operative. Superficie coperta ~ 450 km 2 ( AGASA : 100 km 2 ) Fluorescence Detector (24 telescopi) 6 telescopi operativi (4 a Los Leones, 2 a Coihueco) Completamento Obs. SUD a fine 2005

29 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari29 Evento di maggiore energia osservato finora da Auger (7- 8) x 10 19 eV  16 tanks !!! Distanza dall’asse dello sciame (m)

30 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari30 Antares Astronomy and astrophysics Particle physics Cosmology and dark matter A neutrino telescope uses the detection of upward-going muons as a signature of muon neutrino interactions in the matter below the detector. The muon detection medium may be a natural body of water or ice through which the muon emits Cherenkov light. Its detection allows the determination of the muon trajectory. GE, BO, PI, BA, LNS, CT, RM1

31 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari31 Il futuro (sott’acqua) Design Study per il km 3 Un proposal per il Design Study del km3 (KM3NeT) è stato presentato alla EU (4-3-2004) da una collaborazione europea comprendente tutti gli istituti (24; D, F, G, I, NL, E, UK e Cipro) partecipanti agli esperimenti NEMO, ANTARES e NESTOR. Il progetto comprende anche la parte relativa allo sviluppo di una piattaforma aperta ad attività scientifiche interdisciplinari e include tra i partecipanti diversi istituti attivi nel campo delle scienze del mare. Il progetto mira al “development of a cost-effective design for a large neutrino telescope, evaluation of the procedures for the assembly and costruction of the telescope and the preparation of models for the operation and mainteinance of the infrastructure”. L’obiettivo è essere in grado di passare alla fase costruttiva del km3 subito dopo la conclusione del Design Study. Il progetto è articolato in 10 Work Packages. L’INFN è leading participant nel WP “Shore and deep sea infrastructures” e nel WP “ Risk assessment and quality assurance”. Inoltre l’INFN ha un contributo rilevante nei WP “Astroparticle Physics” e “System and production engeneering” ed uno minore nei WP “Physics analysis” e “Information technology”. Due “deliverables” rappresentano le “major milestones” del progetto: un Conceptual Design Report da produrre entro 18 mesi dall’inizio del progetto un Technical Design Report da produrre alla fine del progetto (36 mesi)

32 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari32 Onde Gravitazionali AurigaLegnaroBarra risonante ROGExplorer (CERN) e Nautilus (LNF) Barra risonante RAP-RDRiv. rermo-acustica di particelle ionizz. R&D, Nautilus MagoR&DMicroonde VirgoCascinaInterf. Laser Lisa-Pathfinder (SMART-2) 3 satelliti in orbita a 1 AU dal sole: R&D Interf. Laser

33 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari33 AURIGA “The AURIGA project aims at detecting gravitational waves impinging on the Earth from the Universe. The detector is based on a very low losses ultracryogenic mechanical oscillator: when a burst of gravitational waves hits and excites the oscillator, this will vibrate for a time span much longer than the duration of the burst (typically 1ms), thus allowing the extraction of the signal from the detector noise”

34 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari34 new mechanical suspensions: attenuation > 360 dB at 1 kHz FEM modelled new capacitive transducer: two-modes (1 mechanical + 1 electrical) optimized mass new amplifier in operation at T=4.5K: double stage SQUID AURIGA: sensibilità dal 24 Dec. 2003

35 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari35 MAGO M icrowave A pparatus for G ravitational Waves O bservation Gaps in the spectral coverage of planned/running GW detection experiments; A different working principle; Light costs; Possible role of MAGOs in a global GWO network.   2 GHz Detection frequency  10 kHz (tunable between 4 - 10 kHz) (S h ) 1/2  10 -21 – 10 -20

36 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari36 If the symmetric mode is initially excited and we perturb one system parameter (e.g. the length of the cavity) with a characteristic frequency much lower than the normal mode frequency (  «  0 )... … we can have a coupling between the two normal modes of the unperturbed system  there is transfer of energy from one mode to the other; the energy transfer is maximum when the frequency of the external perturbation equals the normal modes frequency difference:  =  a -  s

37 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari37 VIRGO The Virgo detector for gravitational waves consists mainly in a Michelson laser interferometer made of two orthogonal arms being each 3 kilometers long. Multiple reflections between mirrors located at the extremities of each arm extend the effective optical length of each arm up to 120 kilometers.

38 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari38 2004/2005 – Science Run in Virgo, Data Taking, Data Analysis 2005/2007: – Full Data Analysis in Virgo & Network Analysis E nel frattempo: 2005/2007: hard R&D. Selected improvements: - more powerful laser - monolithic final suspension (fused silica + silicate bonding) - low-noise electronics - low-noise control strategy (new actuators on mirror) - improvement of recycling factor

39 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari39 LISA pathfinder Goal: GW at 0.1 mHz – 0.1 Hz Spacecraft s Test Masses Telescope s LISA

40 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari40 SMART-2 in-flight test: Squeezing 1 LISA’s arm to 35 cm Test-mass Interferom eter

41 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari41

42 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari42 Fisica Generale GGGAccelerometro differenziale Principio Equivalenza MAGIAInterferometria atomica Misura di G MIR-RD PVLASInterferometro in campo B ruotante Polarizzabilità del vuoto

43 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari43 Fontana atomica (Rb) Laser rivelazione Ottica di raccolta della fluorescenza PMT MAGIA Misurare g con atomi in una fontana atomica Avvicinare masse sorgenti note Misurare la variazione di g G Misure preliminari di G nel corso del 2004 Misura Accurata di G mediante Interferometria Atomica

44 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari44 PVLAS The PVLAS apparatus is designed to detect the small ellipticity acquired by a linearly polarised laser beam after passing through a vacuum region where an intense magnetic field has been established: Misura della polarizzabilità del vuoto Il vuoto come bersaglio: collider fotone-fotone  produzione di “stati di vuoto” finora non osservati (materia oscura…) The actual Fabry-Perot resonator built in the PVLAS apparatus has the following characteristics: distance between mirrors = 6.4 m finesse > 100000 (corresponds to a mirror reflectivity R > 99.997 %) total path length ~ 407 km quality factor Q >10 12

45 17 maggio 2004A. Cardini / INFN Cagliari45 Analisi run maggio 2003 in corso: studio dettagliato sistematici Preparazione al run del 2004: nuove pompe vuoto, nuovo laser