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NEUTRINI ALL’OPERA Paolo Bellan Dottorato in Fisica ~ XX ciclo ~ PADOVA ♫ veve vv vv ♪ ♪

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1 NEUTRINI ALL’OPERA Paolo Bellan Dottorato in Fisica ~ XX ciclo ~ PADOVA ♫ veve vv vv ♪ ♪

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 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 ν L ed ν R 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) ) I NEUTRINI RILEVATI 36 ANNI DOPO LA LORO POSTULAZIONE! La loro interazione con la materia è davvero minima: Osservato Previsto Q

4 Di sicuro: NON è richiesto da alcun assunto teorico che sia m v = 0, e se m v ≠ 0 siamo subito OLTRE il Modello Standard! Da stime cosmologiche sappiamo che Σ i m(v i ) < O(1eV) troppo piccole per misurarle direttamente (per ora…) oscillazione  fondamentali gli esp. di oscillazione, che avvengono sse m v ≠ 0 I RISULTATI SPERIMENTALI mostrano: I RISULTATI SPERIMENTALI mostrano: Oscillazioni? 1. DEFICIT dei neutrini solari (SNO CC/NC ratio + KamLand)  Oscillazioni? Soluzioni LMA MSW I per v e ↔ v μ,v  (II 99%CL):  m 12 2 = 7 x eV 2 (oppure 1.4 x eV 2 );  12 grande (m.m. escluso a 3  ) 2.ECCESSO di v e nel canale v μ → v e (LSND) da confermare (MiniBoone) 3.Analisi globali a 3 famiglie + risultati negativi di CHOOZ : θ 13 piccolo (<8°) oscillazioni 4.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)? |Δm² 23 |= x eV² sin² 2θ 23 > 0.9

5 “Neutrino oscillation” Pontecorvo, 1957 Maki, Nakagawa and Sakata, 1962 Pontecorvo and Gribov, 1969 Un fenomeno indotto da m  > 0 Implica un’apparente “metamorfosi” di un in un altro di diverso flavour ( p.es.     ) La loro osservazione permette di misurare (solo)  m   ? ? ? Massa dei Neutrini > 0 ?! m v > 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 m v > 0 ↔ oscillazioni: un fenomeno tipicamente quantistico Propagazione dei colori come onde: differenti colori  differenti lunghezze d’onda Delle onde colorate simulano il meccanismo delle oscillazioni dei : in Meccanica Quantistica le particelle sono rappresentate da onde la cui lunghezza d’onda dipende dalla massa! giallo Un’analogia macroscopica al mixing: colori visibili come miscuglio di colori base colore visibile colori base Dopo aver percorso una qualche distanza appare diverso! Si mischiano gli autostati di interazione: “weak” es. ( e, ,   propagazione: “masse” es. ( 1, 2, 3 ) visibili latenti

7 Perché “oscillazioni”? Perché “long baseline” ? Probabilità “di sopravvivenza” di un autostato debole: P = 1 - sin 2 2  sin 2 (  m 2 L /4E ) (2-  approx.; figura sotto per il caso di”full mixing”, i.e. sin 2 2  )  “oscillation pattern” L/E “ Survival” probability P a grandi distanze media = ½  m 2 = 3x10 -3 eV 2 km/GeV L’effetto aumenta con L  “long baseline” (p.es. CERN - Gran Sasso) no survival rebirth ’AMPIEZZA connesso con l’AMPIEZZA del processo di oscillazione FREQUENZA connesso con la FREQUENZA del processo di oscillazione Differenza delle masse quadre piccola  tempi di oscillazione lunghi distanze GRANDI

8 SBL: L/E ~ 0.1   m 2 > ~ 0.1 eV -2 REATTORI, v e disapp. L~10m, E ~ 1MeV (Bugey) ACCELERATORI: v  app. L ~ 1GeV (CCFR, NOMAD, LSND, KARMEN) LBL: L/E ~ eV -2 REATTORI: v e disapp. L~1Km, E ~ 1MeV (CHOOZ, Palo Verde) ACCELERATORI: v  app. L ~1GeV (K2K, MINOS, CNGS) ATMOSFERICI: L = 20(↓) – 13000(↑) Km, E=100 MeV – 100 GeV VLBL L~180Km, E ~3MeV L/E ~ 3*10 -5 eV -2 (KamLAND, v e disapp) SOLARI: L~1.5*10 8 Km, E~1MeV L/E ~ eV -2   m 2 >~ eV -2 (Homestake, Kamiokande, GALLEX,, SuperK, SNO) L/E “Survival” probability P ALTEZZA ALTEZZA del gradino ↔ sin²2θ POSIZIONE POSIZIONE del gradino o della valle ↔ Δm² P(v  →  v  ) = sin 2 2  sin 2 (  m 2 L /4E ) = sin 2 2  sin 2 (1.27  m 2 (eV 2 ) L(Km) /4E  (GeV) ) In realtà i v non son mai monocromatici, il rivelatore media su un  E  risoluzione!

9 Oscillazioni: la mappa delle regioni “permesse”  e  x solare   matter enhanced osc., MSW effect  LSND   e (da confermare)   “Cosmologici” ? ( solar + see-saw + DM )  Atmospheric (Kamiokande, Super K) Short baseline (flussi maggiori) Grande M target Long baseline (minor background)  m 2 ( eV 2 ) Diversi esperimenti differenti range di massa ! Range di massa accessibile agli esperimenti “long baseline” sin 2 (2  )   e   x El. excess Muon deficit El. deficit e  x Δm² LNSD ~ 1 eV² sin² 2θ ~ Δm² ATM ~ – eV² sin² 2θ ~ 1 Δm² SOLAR ~ eV² sin² 2θ ~ 0.8 o QVO,VAC Con  solo 2  m ij e 3   i MA Δm² SOLAR  Δm² ATM  Δm² LNSD → serve il IV  “sterile” ?

10 Evidenza di  - disappearance nei v atmosferici (Kamiokande - SuperKamiokande, conferme da MACRO e Soudan 2) ? L “DOUBLE RATIO”  -like e-like m2m2 L/E (km/GeV) Data /expectation Il deficit di  aumenta con L no anomalie per e : no    e oscillazioni       Rapporto v  +v  / v e +v 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 oscillazioni  - s escluse al 99% CL Riscontro di un deficit di  atmosferici visto sia dai rivelatori Cerenkov che dai calorimetri Best Fit:  m 2 ~2.5x10 -3 eV sin 2 2  =1

12 Perchè gli esperimenti long baseline? Verificare i risultati da neutrini  m 2  eV 2 Confermare le oscillazioni    “vedendo” delle  - appearance Misurare il prodotto |  m 2 23 | x  23 con una precisione del ~10% Misurare   e e  13 Porre limiti su   s Rispetto alle sorgenti naturali : Flussi maggiori e meglio noti Maggior purezza Contaminazione di flavour “estranei” bassa e sotto controllo

13 K2K 250 km Close Detectors (CD) Far Detector Esperimento di   –disappearance = 1.3 GeV Visti 50 ev su !

14 Sensibilità dell’ esperimento Best Fit Best Fit :  m ATM 2 = 2.6x10 -3 eV 2 sin 2 2  ATM =1 ; oscillazioni v    v e / v s sfavorite Data la bassa energia del fascio ( ~1.3 GeV, ne servono 10!) K2K non è in grado di implementare la ricerca di una v  -appearance

15 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  MINOS Misura del rapporto NC/CC come PROVA INDIRETTA di una v  -appearance Granularità del detector troppo grossolana per un affidabile flavour-tagging dei v  in CC Per misurare in dettaglio la v  -disappearance vista a K2K:

16 Dalla “disappearance” alla “appearance” “Scomparsa” Deficit statistico di  SuperKamiokande, K2K … FNAL-Soudan “Appearance” statistica Apparente eccesso di , imputabile ai  … FNAL-Soudan “Appearance” Rilevamento di   con basso background Nuova generazione di  -detectors e tecnologie dedicate CHORUS e CERN  CNGS detectors CNGS beam ottimizzato per la  appearance (E p 400 GeV)         Per sviscerare l’origine del deficit di v  atmosferici e confermare le oscillazioni v  ↔ v  osservare la comparsa di v  in un fascio di v  con una sensibilità a  m 2 > eV 2

17 Il CNGS neutrino beam ICARUS   \ e   Fascio operativo per la fine del 2005 p da 400 GeV L = 732 Km

18 Rilevamento dei  come segnale     ……………..  + N   - + X oscillazione CC interaction  -     h -    n    e -   e   +  -  -   n     Decay “kink”   s) -- ~1 mm BR 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 ~1  m) GRAZIE A: Alta risoluzione in posizione delle emulsioni Sistema di redout automatico Data Processing veloce (Net Scan System) Fondi ridotti FIRMA: tempo di vita breve ( c  ~ 87  m) ) + missing energy

19 Intento e tecniche sperimentali base  m 2 = (2÷6) x10 -3 eV 2 (SuperKamiokande)  M target = 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  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”  50 anni dopo la scoperta del  Scanning automatico, bersagli massivi  ricerca di  -decay da interazioni di  1947: scoperta del  Sensibilità alle emulsioni nucleari  scoperta del  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 10  m X DD D-D-  -   Emulsioni Nucleari: uniche per “vedere” il decadimento di short-lived particles

21 Il fascio x CNGS “Shared SPS option” (=CNGS & Fix Target exp) 200 days/year 4.5x10 19 pot/year 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  - detector al Si per monitorare il fascio dopo l’acciaio dell’hadron stopper finale  ( m -2 / pot) 7.78x10 -9  CC / pot /kton 5.85x GeV e /  0.8 %  /  2.1 %  prompt* negligible e /  0.07 % * : principalmente dai D s

22 Il fascio CNGS Shared SPS option 200 days/year 4.5x10 19 pot/year  CC/pot/kton m2m2 1 x eV 2 3 x eV 2 5 x eV sin 2 2  = 1 3.5x10 11 v\m²\anno 2450  ev\kton\anno  con 1.3 kton target x 5 anni ~ NC+CC ~ 120  CC  ~ 10/20 eventi Considerando i best fit di SuperK: sin 2 2  = 1  m 2 = 2.5 x eV 2 tenendo conto dei briks rimossi per l’analisi…

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

24 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 ( ~1cm 2 ) Identificazione di  ed e - Segno della carica dei  Detectors: Target Trackers Tracker planes (interni agli yokes magnetici) Spettrometri a  Strips di scintillatori con sistemi di lettura a fibre ottiche Resistive Plate Chambers (RPC) Tubi a drift sotterraneo …un grande detector sotterraneo

25 Elemento base: la cella (compatta) La cella: rilevamento di vertici primari e secondari “grani” di emulsione  segmenti di traccia PbES  Pb e,    decay kink e ,   (  m) 1 mm *: ρ=1.28 gr/cm 3 n=1.48 χ 0 =31cm λ I =67cm Alta densità  alta prob. di interazione  piccola χ 0 OK per determinare p via Multiple Sc.  Piombo  GRANDE M target Emulsion sheets (ES)   tracking spaziale 3-D Per ciascun ES (“double-sided”): ۰ ۰fogli di emulsione di 50  m su ambo i lati di una struttura plastica (cellulosa tri-acetato*) di 200  m ۰ ۰granularità del detector dell’ordine del micron   alta qualità dei segmenti delle tracce Decadimenti dei  nell’elemento di piombo a valle del vertice   osservazione del “kink” della traccia, altrimenti parametro d’impatto Micro TRACCE  TRACCE BASE  (…) TRACCE RICOSTRUITE (sui due starti del film) micro-tracce connesse

26 Il bersaglio: briks e muri Special Shees di emulsione per decay nell’ultimo foglio di Pb Film di emulsione + fogli di Pb (1mm) TUTTO di produzione industriale piccoli e leggeri VS grandi abbastanza rimoz bassa % bersaglio maneggievoli bassa incidenza effetti di bordo dim. trasversa >> incertezza sulla determinaz. del vertice, OK x e - ID via em. showering BRIKS 127 x 102 x 75.4 mm 3 Sandwich di 56 strati → 1 BRIK (~ 100 misure indipendenti!)

27 Mattoncini ECC con confezionamento “ORIGAMI” Impacchettamento automatico sotto vuoto (P int =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 56 film di emulsione (10χ 0 ) 12.7cm 8.3 kg / brick 10.3 x 12.7 x 7.5 (~ 10 χ 0 ) cm bricks totali 1.3 kton, 2 supermoduli ~ m² di pellicola, 12m 3 di gel 1  m di gelatina protettiva per lato per: proteggere le superfici delle emulsioni da depositi di Ag durante lo sviluppo permette il contatto diretto emulsione-Pb Origami packing: rivestimento ERMETICO 7.54cm 10.27cm

28 Electronic 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 piani ortogonali di strip di scintillatori (campionatura (X,Y), estrusione di TiO 2 ) 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 I bricks sono estratti giornalmente mediante un meccanismo automatico dedicato muro brick selezionato 10 cm Traccia muonica Target Trackers Evento di v  simulato con E(e - ), E(  ) ~ 1 MeV, E(Charg.Part) ~ 10 MeV

29 10.6 mm Le strip di scintillatore nei Target Trackers 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% planes unità 6.86 m 64 strips PMT WLS fibres 26 cm 6.7 x 6.7 m² Segnale prodotto alle due estremità e loro somma

30 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! 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 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 →→→→ un fast discriminator (soglia 1 fotoelettrone) uno slow shaper per la misura della carica con celle capacitive attivate da un autotrigger ADC Alcuni dettagli sull’elettronica di lettura del tracking e calibrazioni

31 Scanning degli ES: tracce ~ punti nei diversi piani focali 0 mm mm mm 0.1 mm Visione a “Tomographic slice” con profondità focale ~ mm vista in profondità ottenuta muovendo il piano focale ~16 immagini per 100  m mm Particelle prodotte nelle interazioni di escono dall’ immagine Le tracce appaiono come punti rimozione  esposizione ai  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 Operazioni di detecting:

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

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

34 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 Ricerca dei decadimenti  candidati  per controllo via scanning semiautomatico 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  m (VS scanning syst. accuracy ~0.3  m !) Effetti DI BORDO (maggior distorsione): < 1  m fino ad 1mm dal bordo; si applica una correzione. DOMINA sotto 1  m TRASCURABILE fino a  m 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

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

36 Spettrometro a  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 Fe (5 cm) RPC 12 piani di Fe Peso totale ~ 950 tons Magneti durante la costruzione 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

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

38 alta efficienza intrinseca buona modularità geometrica e facile segmentazione robuste ed economiche Elettrodi piani di un polimero fenolico ad alta resistività (bachelite) Superfici esterne grafitate coperte da una pellicola isolante di 190  m in PET portate ad una ddp di 7.8 kV (  I = 5  A / 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 RPC / XPC (±46° incl) Due strati ortogonali di RPC  informazioni 2D; SLOW CONTROL per temperature, gas e tensioni 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 HV isolante GAS bachelite grafite spaziatori 6 mm olio di lino X e Y strips

39 Back Scattering da controllare (DIS>QE) Brick finding 1) Selezione del muro del brick 2) Individuazione del brick nel muro selezionato Brick finding nel muro selezionato  brick ( CON  wall ) in % DIS QE   e    h (h =  ) 78.8 (h =  ) Assumendo la rimozione di 1 brick / evento (strategie alternative in studio) Electronic Trackers 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.);  a bassa energia ↓ efficienza Selezione del muro: Tagli sequenziali sul # di hit + Neural Network: INPUT E MIS, 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 E in v dep.) Eventi con sciami EM, v interagenti a bassa energia SENZA  Calcolo iterativo del baricentro delle strip colpite (risoluz spaziale 1.1 cm (84%) - 3.5cm (16%) CON  Si utilizza anche il  puntante (risoluz spaziale 94% a 0.8 cm)

40 Eventi di  distinzione per canale v  + N →  - + X  - → e - v e v   - →  - v  v   - → h - v   n  o  IDENTIFICAZIONE FONDO PRINCIPALE Perdita di energia caratteristica nei brik Identificazione del  (MS + Spettrometro) Eventi con un kink in cui la particella prodotta non è un elettrone né un  Produzione di charm in eventi di v  CC con decadimenti elettronici senza il  primario rilevato Scattering dei  a grandi angoli Produzione di charm con decadimenti adronici + reinterazioni

41 Eventi di  distinzione “topologica”  “Long” decays kink angle  kink > 20 mrad  e Progr. Rep.1999   Progr. Rep.1999  h (n    Proposal  search 2001 kink  kink Long decays  “Short” decays parametro d’impatto I.P. da 5 a 20  m  e (DIS)* Proposal 2000   2001 plastic base I.P. Short decays Pb emulsion film *: vertice all’interno dello strato di Pb ove il v ha interagito

42 P t miss (GeV/c)   -H   -H   NC     Tagli cinematici e fondi (*): per la bassa % di eventi di v  NC con un  attaccato al decay vtx; inoltre se presente, aumenta il p T misurato, quindi l’efficienza sui  a  parità di fondo P t miss  H   -H P nel segnale  ed adroni back-to-back SHORT DECAYS CHARM PRODUCTION M (sist.adronico) > 2GeV Segnale/15 Fondo/1000 LONG DECAYS ADRONICI LEPTONICI 2 GeV < p figlie < 15 GeV identificazioni errata fondo del fascio p (e - channel ) > 100 MeV p (  channel ) > 250 MeV Fondo a livelli ragionevoli adroni primari re-interagenti p (CON  ) > 300 MeV p (SENZA  ) > 600 MeV (*) p figlie < 2 GeV   H >  p T miss < 1GeV ; fondo da v  NC abbattuto (GRANDE p T miss piccolo   H ) TOPOLOGIAFONDITAGLIEFFETTO p t decay

43 Eventi di “short decays” muonici identificati col Parametro d’Impatto  Fondi principali Vertice del decadimento di particelle charmate confuso col vertice primario  da  - CC che simula un evento   a causa di un IP grande Segnale   Background  da CC D0D0 Contributo all’efficienza di rilevamento del  x BR : 0.7 %  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/c 2 rimane solo lo 0.2% del fondo da charm Signal Background Mass (GeV/c 2 ) 80% 0.2%

44 Fondi principali Produzione di particelle charmate –Sezioni d’urto e branching ratio basati sui risultati di CHORUS Scattering di  a grande angolo –Scattering dei  da v  CC nel Pb del foglio a valle di quello di vertice: studiati dalla Collaborazione, analisi dei dati in progress –Rate dello scattering di  su piombo stimato usando includendo i fattori di forma nucleari simulazioni di MC includendo i fattori di forma nucleari (cross-checked sui dati di NOMAD) dati di scattering di  a 7.3 GeV/c su rame  visti nelle emulsioni dell’esperimento CHORUS Re-interazioni di adroni con “kink topology”: importante per il canale adronico (v  NC o CC senza attivit à visibili al vertice primario) e muonico (v  NC in cui c’ è misidentificazione  – h o un vero  viene associato ad una traccia adronica) –Le attuali stime sono basate sulle simulazioni di GEANT –coerenti con i risultati preliminari di esperimenti dedicati Fondi secondari Produzione di v  “ prompt ” nel fascio e nel bersaglio dei p Contaminazioni da  0 e e - “ prompt ” ~ 1 x ~ 7 x 10 -6

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

46 Steps dell’analisi Efficienze per alcuni step Brick finding Trigger Vertex location Decay search: decadimenti “long” o “short”  decay mode Kinematics   events Classicato come  / e sì no Elettronica dei detectors Emulsioni & Electronica dei detectors  e 1_ry vtx ?

47 La lunghezza delle tracce necessaria alla misura nelle emulsioni ~ 5 X 0 (1 brick “compatto” = 10 X 0 )  track connection brick-to-brick dove richiesta Identificazione di  decay (per eventi con un decay candidato) Tracce primarie: –  -ID ed e-ID  reiezione di b.g. da charm – falsi  o e   / e CC  riduzione del segnale  nofake ( DIS  e, h ) = 87 %  nofake ( DIS   ) = 93 % e /  / h   ID = 95% ;  eID = 90-98% Decadimenti secondari: – identificazione: e /  / h Misura dell’impulso di tutte le tracce (multiple scattering, bremsstrahlung)

48 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 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 %  geom = 94% Pb-Emulsion brick

49 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) Si richiede  kink > 20 mrad Assunzione conservativa:  (  kink ) ~ 3 mrad (normale) < 1 mrad (speciale )  kink ~ 90 % per TUTTI i canali di decadimento dei  Ricerca dei decadimenti (I)  kink Pb Long decays Emulsion layers (not to scale ) Plastic base

50 Ricerca dei decadimenti (II) 2. “ Short” decays (~ 60 % of  decays) cioè vertice nel piano di Pb 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  ( I.P. ) = 0.3 ~ 0.6  m Assunzione conservativa:  ( I.P. ) = 0.3 ~ 0.6  m  I.P. = 45 % I.P. Short decays Pb Emulsion layers (not to scale )

51 Risoluzione intrinseca del tracking  = 0.06  m Compton Electron Fog M.I.P. Track grano di Ag dopo lo sviluppo dx M.I.P. Track Grain Density~30/100  m per una MIP Grain Size0.2  m (original crystal)  sviluppo  m (visile al microscopio) 0.2  m/  12 =  m Rivestimento automatico  diluizione del gel  perdita di sensibilità Traiettoria fittata (retta) dx: scarti dei centri dei grani rispetto alla traiettoria fittata con una linea retta; questa costituisce la risoluzione intrinseca  “Nebbia”: deposito accidentale di grani; dipende dalle condizioni di sviluppo (OK 20°); è un fondo da mantenere < 5 fog/10 3  m  m ρ=2.40 gr/cm 3 ; =18.2 =8.9 ; χ 0 =5.5cm dE/dx mip =1.55 MeV/gr*cm² λ I =51cm

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

53 Misura dell’impulso dal MS: il metodo angolare MDM = 1.4GeV/c con    2.1mrad (readout corrente ) MDM = 7.1GeV/c con    0.4mrad (limite intrinsico ) La superficie dei fogli di Pb dev’essere liscia (  L ~ 10  m, OK), parallelismo > 1mrad NON è richiesta un’altissima precisione nell’allineamento Maximum Detectable Momentum (MDM) (scattering in una cella, 1mm di Pb) > 2  Si misura la differenza degli angoli delle tracce base in due film successivi ~10% su una ECC ( 55  2=110 misure ) La RMS dell’angolo di  sc 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: pertanto il vale: Th di Molière

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

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

56 Identificazione degli elettroni A_ Si rivela la creazione di coppie lungo la traiettoria: B_ Si rivela l’energia persa: e - : bremsstrahlung adroni : ionizzazione (  E 0 nel range fisico, il χ min identifica la particella e determina E 0 ) E e (x)=E 0 e (-x/χo) E h (x)=E 0 (1- x · dE/dx) Piatto di Pb Emulsion Sheet  e e+e+ L R e-e- C_ Si conta il numero di tracce associate allo shower: Ricerca in una regione limitata (spessore dei brick 10 χ 0  shower ben contenuto in un brik; da ciò si ricava anche E se si fermano nello stesso brik

57  Rivelamento dei  Test experiment al CERN PS 8 GeV/c  - interaction in OPERA-type ECC --  dai  0 l’angolo tra elettrone e positrone  ( e + e - ) > 3mrad (dalla risoluzione angolare delle emulsioni) oppure Se  ( 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) Importanti nel canale  → h per: meglio misurare il p T miss totale (permette di ridurre il fondo da reinterazioni adroniche) identificare il canale  → v ρ(→  (BR 27%) FOTONI prodotti al vertice primario (da  0 decays) che convertono in coppie e + e - nel medesimo foglio di Pb identificati se:

58 Identificazione dei muoni: ECC + T.T + spettrometro ( Studiato con MC di v  CC e v → τ ) 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 Global Tracking 82.4% 11.3% 1% 6.3% Topologie possibili →μ ! layers ≥ 10 + isolation → μ ! 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 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/  ² E=M  ²/2  M= (4/k)I²x connesso con la densità di grani nell’emulsione; Con 10 misure indipendenti (  e  in ~10 film prima di fermarsi):  M/M = 0.12 (   M(  = 16 MeV)  Si può utilizzare nell’analisi delle tracce per distinguere  da  ! Dalle ECC Target Spettrometro

59 Efficienza nel Proposal *somma pesata di eventi DIS e QE Sommario delle efficienze di rilevamento dei  (in %, includendo il BR)

60 Simulazioni –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 …... 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 Studi sulle sistematiche nelle simulazioni connesse con:

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  Tracking dei detectors elettronici Utilizzo di algoritmi di Kalman filter  aumentata risoluzione angolare per le tracce  : 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 Aumenti delle rates già calcolati in caso di di fascio potenziato Decay mode Signal 2.5*10  Signal 3.0*10    e      h Total  *Br (%) BKG  

63 Significanza Statistica  6 eventi  4  discovery  ! Events observed Significance (equivalent  ) N4N4N4N4 P n  = probabilità che il fondo simuli il segnale se #ev. osservati  N n  P 4  = 6.3x10 -5 P 3  = 2.7x10 -3  m 2 (eV 2 ) eventi attesi in 5 anni (log scale) Poisson distribution of the expected background #evts observed NnNn Il numero di eventi necessario per un claim a 4  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 5 anni 3 anni Sensibilità alle oscillazioni    Incertezze su fondi (±33%) e sulle efficienze (±15%) incluse 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  m 2 > 1.5 x eV 2 (3 anni)  m 2 > 1.3 x eV 2 (4 anni)  m 2 > 1.2 x eV 2 (5 anni)

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

66 Sensibilità alle oscillazioni v   v e Ottima capacità di ricostruzione dei decadimenti del  Buona Particle Identification (separazione  ) Si guarderà ad un eccesso di eventi di v e 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  nel Pb; MEMO Risoluz energetica per shower EM nel range di CNGS 20%, (~ costante) separazione tar 2 tracce: ~ 1  m Risoluz. angolare sulle tracce cariche ~1 mrad   p/p ~ 20% dal MS Rimozione addizionale di briks prevista ~13% fondo da eventi di v  CC e NC  taglio + soffice in E(e - ) E(e - ) > 1 GeV  soffici E visisbile < 20 GeV contaminazione di v e “prompt” # grani per foglio della traccia dell’e p T miss > 15 GeV eventi NC ed    e TAGLIOFONDO Sul flusso di v e si assume un errore del 5% OPERA è in grado di prodursi in una ricerca nel canale v  → v e

67 Cercando  13 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 Probabilità di confondere un evento di v  CC con uno di v  NC con una traccia che mima un e - Efficienza per eventi di v e CC dalla contaminazione del fascio Fondo proveniente dai decadimentidei pioni neutri creati nelle interazione di NC fattore di normalizzazione connesso con la massa del detector

68   sin   v e CC segnale v  CC → v  NC  → e v  NC v e CC beam 9°9° °8° °7° °5° °3°  m 23 2 = 2.5 x eV 2  23 =45° 5 anni di data-taking  := efficienza finale  → e comprende il Br di  → evv Oscillazioni v   v e : segnale, efficienze e fondi  : = prodotto delle efficienze di brik/vertex finding, trigger, volume fiduciale Segnale  → e v  CC → v  NC x 10  v  NC v e CC beam  v e CC   7.0 x 10 

69 Cercando  13 Per distinguere gli eventi v  → v  / v e si può guardare alle cinematica degli eventi: il segnale principale ha 2v nello stato finale → maggior p T miss, minor E vis Transverse missing P T Reconstructed energy →  m 2 32 =3.5x10 –3 eV 2 ; sin 2 2  23 = 1; sin 2 2  13 = 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

70  m 2 23 =2.5 x 10 –3 eV 2 sin 2 2  23 = 1  13 = 8° Cercando  13 Distribuzione del p T miss per segnale e fondo previsti ad OPERA  v v Fittando le distribuzioni cinematiche degli eventi selezionati  aumento in sensibilità per  13 ~ 20 % Per ricavare i parametri di oscillazione: misura del rapporto degli eventi v  NC/CC := R (R 0 ) con (senza oscillazioni); Deviazioni da R 0 → numero di deviazioni standard  R sul rapporto NC/CC Segnale di oscillazione al 90% CL se la deviazione (R- R 0 )/R > 1.25  R

71 Sensibilità stimata per le oscillazioni   e in presenza di   , 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 E vis, P T miss, E el (misurate + smearing per la risoluzione finita) con  23 =45° si ottiene il grafico di esclusione al 90% CL 5 CNGS Miglioramento di un fattore 5 dell’attuale limite su sin 2 2   m 2 = 2.5 x 10 –3 eV 2 e  23 = 45°

72 Guardando avanti… 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  …chi vivrà vedrà!

73 RITAGLI

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

75 Accuratezza del puntamento dal vertice di una coppia di e - dalla conversione di  Studiata in CHORUS e DONUT da NetScan (profondo ½ X 0 in ECC) DONUT (ECC Fe-emulsion)  (mrad) events 0 da altri punti dal vertice di interaz. Importante per aumentare la sensibilità al processo  h n  o  (mrad) CHORUS events 0 da altri punti dal vertice di interaz.  e-pair

76  B.R.= 25.4% (49.5% per tutti i  h    associati al vertice primario o di decadimento a seconda del Parametro d’Impatto  Per i  assegnati al vertice di decadimento  miglior risoluzione in p t decay  tagli più soffici e maggior efficienza  Miglior risoluzione sul missing p t  Probabilità per un’interazione adronica di produrre un  puntante al vertice di decadimento  O(1%)  no ulteriore background Efficienza per un long decays  h : 2.3  2.9 % (includendo una riduzione del 10% nell’efficienza di brick finding e del 20% dovuta alle re-interazioni coi nuclei nell’event generator) 01mm ECC test    (charge exchange) Eventi “long decays” adronici Maggior efficienza per     con assegnazione del vertice dai  p t decay

77 Electron ID in Emulsion Module


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