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Ubaldo dore oscillazioni1 Oscillazioni di neutrini Ubaldo Dore Presente e futuro 29 aprile 2003 1.

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1 ubaldo dore oscillazioni1 Oscillazioni di neutrini Ubaldo Dore Presente e futuro 29 aprile

2 ubaldo dore oscillazioni2 Si può avere il fenomeno delle OSCILLAZIONI Se i neutrini 1) hanno massa 2) gli autostati di massa non sono autostati delle interazioni deboli I NEUTRINI NELLO SM HANNO MASSA 0 Non Cè NESSUN MOTIVO PER CUI QUESTO SIA VERO

3 ubaldo dore oscillazioni3 Il fenomeno delle oscillazioni consiste nel fatto che il contenuto di flavour di un fascio di neutrini che si propaga cambia nel tempo e quindi a seconda dalla distanza dallorigine. Nel caso semplice di mixing di due sole specie (che è una buona approssimazione in molti casi) la matrice di mixing (ora 2x2) può essere scritta come Gli stati di flavour saranno una sovrapposizione degli autostati di massa. U matrice (3x3) è la matrice di mixing la matrice di mixing sarà caratterizzata da tre parametri piu una fase

4 ubaldo dore oscillazioni4 Il mixing sarà descritto da due parametri 1) Angolo di mixing 2) differenza di massa La probabilità di oscillazione sarà data da Nel caso di mixing a tre avremo tre angoli e due differenze di massa

5 ubaldo dore oscillazioni5 Esempi di pattern di oscillazione P( )

6 ubaldo dore oscillazioni6 La possibilità di oscillazioni fu introdotta da Bruno Pontecorvo negli anni cinquanta. Da allora una grande quantità di energie è stata dedicata alla ricerca di oscillazioni. Erano state trovate indicazioni nello studio: 1) dei neutrini provenienti dal sole; 2) dei neutrini atmosferici cioè provenienti dalla interazioni dei raggi cosmici primari nellatmosfera. Queste osservazioni sono state confermate negli ultimi anni e sono diventate certezza mentre altre indicazioni ottenute con neutrini provenienti da acceleratori hanno bisogno di conferma. ( Esperimento LSND: esperimento di conferma MiniBooNE in corso)

7 ubaldo dore oscillazioni7 La prima indicazione di oscillazioni fu data da un esperimento radiochimico. Esperimento di HOMESTAKE (anni 70) (Davis) I neutrini solari interagiscono con nuclei di cloro secondo la reazione Largon è radioattivo e questo permette di contare il numero dei nuclei prodotti. Questo numero viene confrontato con quanto aspettato secondo lo SSM (solar standard model): FLUX/SSM =1/3 DEFICIT dei Neutrini solari Deficit confermato da molti altri esperimenti Neutrini solari

8 ubaldo dore oscillazioni8 Super-Kamiokande

9 ubaldo dore oscillazioni9 Ora Superkamiokande (SK) eventi 15/giorno 4.5 ton

10 ubaldo dore oscillazioni10 Experimental Results SAGE+GALLEX/GNO Flux = 0.58 SSM Flux = 0.33 SSM Kamiokande + Superkamiokande Flux = 0.46 SSM Solar Neutrinos Figure by J. Bahcall Neutrino Flavor Change or Solar Model Effects ? (Pre-2001)

11 ubaldo dore oscillazioni11 Negli ultimi due anni due esperimenti hanno dimostrato che il deficit è dovuto ad oscillazioni e non a problemi del SSM 1)SNO il flusso di emessi dal sole arriva sulla terra non solo ancora come, rivelati dagli esperimenti precedenti, ma anche come 2) KAMLAND gli antineutrini elettrone emessi da reattori nucleari mostrano un deficit corrispondente a quello osservato nei neutrini solari

12 ubaldo dore oscillazioni12 Sudbury Neutrino Observatory 1700 tonnes Inner Shielding H 2 O 1000 tonnes D 2 O 5300 tonnes Outer Shield H 2 O 12 m Diameter Acrylic Vessel Support Structure for 9500 PMTs, 60% coverage Urylon Liner and Radon Seal

13 ubaldo dore oscillazioni13 Reactions in SNO - Good measurement of e energy spectrum - Weak directional sensitivity 1-1/3cos( ) - Measure total 8 B flux from the sun. NC xx npd ES -- eνeν xx - Both SK, SNO - Mainly sensitive to e,, less to and - Strong directional sensitivity CC - eppd e - e ONLY - Equal cross section for all types

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15 ubaldo dore oscillazioni15 KamLAND Experiment 180 km 300

16 ubaldo dore oscillazioni16 Investigate Solar Neutrino Anomaly Under Laboratory Conditions KamLAND : Thermal power ~ 80GW ~ 3 MeV ~ 180 km m 2 ~ eV 2 m 2 (eV 2 )

17 ubaldo dore oscillazioni17 Observed Event Rates Final sample 162 tonyr, E prompt > 2.6 MeV 54 ev Expected Background0.95 ± 0.99 ev accidental ± Li/ 8 He (, n)0.94 ± 0.85 fast neutron 0 ± ± 5.6 ev

18 ubaldo dore oscillazioni18 Ratio of Measured to Expected e Flux from Reactor Neutrino Experiments LMA: m 2 = 5.5x10 -5 eV 2 sin 2 2 = 0.833

19 ubaldo dore oscillazioni19 Energy Spectrum (E prompt > 2.6 MeV) data : consistent with distorted shape at 93 % C.L. & no oscillation shape at 53% C.L.

20 ubaldo dore oscillazioni20 The KamLAND data … …. can now be combined with the solar data, including the CHOOZ constraint … solar data (Cl + Ga +SK + SNO) + CHOOZ

21 ubaldo dore oscillazioni21 Neutrini atmosferici prodotti dai raggi cosmici primari I neutrini provengono dal decadimenti mesoni prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici primari nell atmosfera. I neutrini possono arrivare dallalto percorrendo circa 15 km o dal basso percorrendo circa km. I neutrini vengono rivelati nei rivelatori sotterranei. 15Km Km 500 Km

22 ubaldo dore oscillazioni22 Distribuzioni angolari in SK dei neutrini atmosferici Il flusso dei neutrini mu provenienti dal basso è depresso Deficit dei neutrini atmosferici

23 ubaldo dore oscillazioni23 I risultati di SK per i neutrini atmosferici sono stati confermati da un esperimento Long Baseline K2K I neutrini prodotti dallacceleratore di KEK (Giappone) viaggiano per 250 Km ed arrivano a SK. I primi risultati sono in accordi con i risultati dei neutrini atmosferici. I dati sono stati presi negli anni passati (per la storia prima dellincidente in SK). Ora è iniziata una nuova presa dati. La collaborazione si è allargata a vari gruppi europei tra cui un gruppo di Roma I.

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28 ubaldo dore oscillazioni28 Partecipazione di Roma1 a K2K: Ubaldo Dore Pier Ferruccio Loverre Lucio Ludovici Camillo Mariani Impegni del gruppo: 1) Realizzazione di un Electron Identifier nel rivelatore vicino (moduli del calorim. e.m. Chorus) 2) Presa dati 3) Analisi

29 ubaldo dore oscillazioni29 Ai risultati ottenibili con SK e K2K cosa si può aggiungere? ESPERIMENTI LONGBASELINE Con fasci di acceleratori 1) MINOS FERMILAB–SOUDAN 2) OPERA e ICARUS CERN- GRAN SASSO Minos permetterà un migliore determinazione dei parametri. Opera e Icarus, mediante losservazione di neutrini tau verificheranno lindicazione sperimentale che si tratti di oscillazioni. Distanza = 730 km

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31 ubaldo dore oscillazioni31 31 target planes / spectrometer ( bricks, 1766 tons) Front damping structure Rear damping structure Electronic barrack OPERA Final Design with 2 SuperModules

32 ubaldo dore oscillazioni32 OPERA / Attività in Sezione Componenti del Gruppo: Componenti del Gruppo: G. Rosa, P. Righini, L. Berardo, A. Ruggieri, P. Pecchi G. Rosa, P. Righini, L. Berardo, A. Ruggieri, P. Pecchi Responsabilità: Responsabilità: 1. Infrastrutture Emulsion handling al LNGS 2. Intercalibrazione con R. Cosmici al GS 3. Partecipazione al progetto europeo per scanning automatico Attività in corso: Attività in corso: Preparazione, gestione e analisi di test con Cosmici al GS e di Test- Beam exposures al CERN. Sviluppi h/w e s/w per scanning automatico Preparazione, gestione e analisi di test con Cosmici al GS e di Test- Beam exposures al CERN. Sviluppi h/w e s/w per scanning automatico

33 ubaldo dore oscillazioni33 Regola Oscillazioni solari Regola oscillazioni atm Puo essere determinato in valori Al momento attuale la la conoscenza dei parametri delle oscillazioni è la seguente M 12 =M 1 2 -M 2 2 M 23 =M M 2 2 Fase della matrice di mixing ??? 45 o <13 o ev ev 2

34 ubaldo dore oscillazioni34 For experiments at terrestrial baselines, with 12 <<1: P( e ) sin sin 2 23 sin 2 23 = sin 2 2 e sin 2 23 P( ) cos 4 13 sin sin 2 23 = sin 2 2 sin 2 23 P( e ) sin cos 2 23 sin 2 23 = P( ) 1 – (sin sin 2 2 e ) sin 2 23 P( e e ) sin sin 2 23 Only 3 parameters: 23 m Reduce to two flavour mixings with effective mixing angles: sin 2 2 = cos 4 13 sin sin sin 2 2 e = sin sin sin ( ) j k>j Determinazione di 13 Solo un valore diverso da zero di 13 permette la presenza di effetti di violazione di CP

35 ubaldo dore oscillazioni35 Energy(GeV) Current( A) JHFK2KNuMICNGSE(GeV) Intensity (10 12 ppp) Rate(Hz) Power(MW) JHF

36 ubaldo dore oscillazioni36 1) Le oscillazioni di neutrini sono accertate. 2) Molti parametri sono stati determinati 3) In futuro a) miglioramento nella precisione b) determinazione dei parametri ancora incogniti Fase 1) JHF e analoghi: questo decennio Fase 2) Neutrino Factories: prossimi decenni CONCLUSIONI

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41 ubaldo dore oscillazioni41 If neutrinos have mass: For three neutrinos: Solar,ReactorAtmospheric For two neutrino oscillation in a vacuum: (valid approximation in many cases) CP Violating PhaseReactor, Accel. Range defined for m 12, m 23 Maki-Nakagawa-Sakata-Pontecorvo matrix Future Present and Future

42 ubaldo dore oscillazioni42 Off-Axis neutrino Beams Horns Target Decay Pipe Detector E = m 2 – m 2 2 ( m 2 – m 2 m 2 ( ) E Much higher flux than old-style NBB. Strong cut-off of HE tail. Reduced e contamination. Tune energy to maximise sensitivity = m 2 (eV 2 ). L(Km) / E(GeV) Beam energy almost fixed by geometry 1 m 2

43 ubaldo dore oscillazioni43 JHF Near Detectors Flux. L Super-K Flux. L 1.5 Km Flux. L 0.28 Km Covers from 0 o to 3 o. Monitor the beam stability and flux. High rate: 60 events/kt/spill. Study and e interactions: CCQE, CC, NC. Non point-like source, different target, different detector technology: flux extrapolation to Super-K problem. Off-Axis as Super-K Water-Cherenkov (100t fiducial mass) to cancel most of the flux extrapolation syst. Spectrum differences < 10% 2% systematic due to e background subtraction. 60% difference Better than 10% Intermediate detector at 1.5 Km Near detector at 280 m

44 ubaldo dore oscillazioni44 KamLAND Detector Present analysis ~ 22%

45 ubaldo dore oscillazioni45 l Bruno Pontecorvo

46 ubaldo dore oscillazioni46

47 ubaldo dore oscillazioni47 KAMIOKA KEK


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