Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 D’Ambrosio N.

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

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

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

esperimenti radiochimici. Gallex/GNO @ GranSasso Neutrini solari (νe): esperimenti radiochimici. Gallex/GNO @ GranSasso Soglia: 233 KeV Possibilità di rilevare neutrini a bassa energia usando la fusione p-p 30.3 T di gallio, soluzione concentrata di GaCl3-HCl 71Ga + νe -> 71Ge + e- Si conta il numero di atomi di 71Ge utilizzando il loro decadimento radioattivo

Gallex-Sage results

Neutrini solari (νe): SNO Sudbury Neutrino Observatory (Creighton mine, Canada) 1000 T D2O (Acqua pesante) 12 m diametro contenitore acrilico 9500 20 cmPMTs (~60% photocathode coverage) 1700 T inner shielding H2O 5300 T outer shielding H2O Urylon liner radon seal Profondità: 2092 m

Sudbury Neutrino Observatory

Neutrino Reactions in SNO CC n + d  p + p + e− e good measurement of ne energy spectrum ne only NC x n +  p d equal cross section for all active n flavors ES n + e−  n + e− x x low statistics mainly sensitive to ne, some n and n strong directional sensitivity

Neutrini da reattore:KamLAND

Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector KamLAND Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector 1000 m in profondità (miniera di Kamioka, Giappone) 1 KTon di scintillatore 1325 17” fast PMTs 554 20” large area PMTs 34% photocathode coverage •H2O Cerenkov veto counter

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

KamLAND Sul grafico è riportata la distribuzione L0/E (L0 180 km) nei casi di : Decadimento del neutrino Decoerenza del neutrino Oscillazione del neutino

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

Neutrini Atmosferici

SuperKAMIOKANDE 1000 m in profondità (miniera di Kamioka) 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 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

Luce Cerenkov Se le particelle si muovono più veloci della luce in quel mezzo, emettono una “shock wave” di luce Per l’acqua, n(280-580nm)~1.33-6 Angolo di soglia: 42o

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

Eventi da Neutrino atmosferico SK ・Both CC ne and nm ・Need particle identification to separate ne and nm FC (fully contained) ν ～12000 events (Super-K) ・～ CC nm PC (partially contained) ν ～900 events (Super-K) ・～ CC nm Upward going muon ～1900 events (through, SK) ～420 events (stopping, SK) ν

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

K2K Fascio di nm Conferma del fenomeno delle oscillazioni osservato con i neutrini atmosferici (SK) Misura più precisa dei parametri dell’oscillazione (∆m2, sin22q) Fascio di nm Spettro di energia simile a quello dei neutrini atmosferici Long Baseline (250 Km)

K2k Near detectors 1KT Acqua Rivelatore Cerenkov Fibre Scintillanti/Acqua Rivelatore (SciFi) 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 10-4 che ciò dipenda da fluattuazioni statistiche

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

Sommario: Super-Kamiokande, K2K, T2K I dati sul neutrino atmosferico di SK sono spiegati con l’oscillazione nm  nt , with: Dm2=1.9 – 3.0 × 10-3 eV2 sin22q > 0.90 (SK L/E analysis) Recentemente l’analisi di L/E ha mostrato evidenza di un segnale di “oscillazione” Nessuna evidenza di oscillazioni nm  ne : da investigare K2K ha confermato le oscillazioni del neutrino usando un fascio da acceleratore. I risultai di SK e K2K sono in buon accordo T2K partirà nel 2009 è permetterà di indagare più a fondo il fenomeno

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

ICARUS Imaging Cosmic and Rare Underground Signals Programma di Fisica: Neutrini Solari, Atmosferici e da Supernova Esperimento Long Baseline ricerca diretta di νμ -> ντ e νμ -> νe Ricerca del decadimento del protone

ICARUS e- Rivelatore ad Argon Liquido: Densità 1.4 g/cm3 Lunghezza di radiazione 14 cm Lung. di interazione 80 cm dE/dx(mip) = 2.1 MeV/cm T=88K @ 1 bar light Ionizing Track Circa 12000 coppie electrone-ione prodotte per mm (mip track) La luce emessa dà il t0 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 Drifting e- Induction Plane I Induction Plane II

ICARUS Camera a Bolle Elettronica X,Y, time

ICARUS CNGS : νμ ντ oscillations eνν τ μνν h- ν h0 ν h- h+ h- n h0 ν Reazione primaria: ντ + Ar -> τ + jet CNGS : νμ νe oscillations Reazione primaria: νe + Ar -> e- + jet

ICARUS T3000 + Muon Spectrometer Una Seconda-Generazione di esperimento per ricerca del decadimento del protone e un osservatorio per Neutrini al Laboratorio del Gran Sasso

OPERA Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus Ricerca di oscillazioni di neutrino nm ® nt mediante osservazione diretta dell’apparizione del nt in un fascio puro di nm Per rilevare il decadimento del t è necessaria una risoluzione micrometrica nm …………….. nt  t- + X oscillazione interazione CC t  : m- nt nm (18%) e- nt ne (18%) Kink h- nt n po (50%) p+ p- p- nt npo (14%) Multiprong Quadro sperimentale (neutrini atmosferici) 90% 95% 99% 68% t Long baseline: 732 km Cern Neutrino beam to Gran Sasso ~ 0.6 mm nt

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

Rivelatore Elettronico Analisi delle Emulsioni OPERA in Run Target Trackers Pb/Em. target m spectrometer Basato sul concetto del Emulsion Cloud Chamber (ECC) 8 m n Unità di base il Brick 1 mm t t Pb/Em. BRICK n Lead EMULSIONE (42 micron) Estrazione del Brick selezionato   8 cm Rivelatore Elettronico Seleziona il Brick dell’interazione Analisi delle Emulsioni  Ricerca del vertice Ricerca del decadimento

Analisi delle Emulsioni : Microscopi automatizzati Standardized Optics (Nikon) and Mechanics (Micos) CMOS camera up to 500 fps State-of-art Image processor (Matrox Odyssey) and PCI-X workstation New asyncronous DAQ software Grani ESS: European scanning system (analogo sistema sviluppato in Giappone) frame D’Ambrosio N., Nucl. Instr. and Meth A 525 (2004) 193–198 2-3 mm Attuali prestazioni del ESS Velocità di scanning ~ 20 cm2/h/lato Efficienza di ritrovamento micro-traccia ~ 95% Allineamento lastra-lastra (8 GeV/c ps) ~ 0.5 mm Risoluzione angolare ~ 2 mrad

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

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

MINOS Detectors located on NuMI beam axis Misura del rapporto tra lo spettro di energia del neutrino nel far detector (oscillated) rispetto a quello nel near detector (unoscillated) 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

Long Baseline Experiments: MINOS NEAR detector FAR detector 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)

+ Long Baseline Experiments: MINOS Demonstrate oscillation behaviour confirm flavour oscillations describe data provide high statistics discrimination against alternative models: decoherence, n decay, extra dimensions,etc. Precise Measurement of Δm23 ~10 % Search for sub-dominant νμ ve oscillations + MINOS is the 1st large deep underground detector with a B-field first direct measurements of n vs n oscillations from atmospheric neutrino events

Long Baseline Experiments: MINOS

Ep Beam 〈En〉 L (km) Mdet (kt) nmCC (/yr) ne (GeV) Power (MW) @peak K2K 12 0.005 WB 1.3 250 22.5 ~50 ~1% MINOS(LE) 120 0.4 3.5 730 5.4 ~2,500 1.2% CNGS 400 0.3 18 732 ~2 ~5,000 0.8% T2K-I 50 0.75 OA 0.7 295 ~3,000 0.2% NOnA 810? ~4,600 0.3% C2GT 0.8 ~1200 1,000? T2K-II 4 ~500 ~360,000 NOnA+PD 2 50? ~23,000 BNL-Hs 28 1 WB/OA ~1 2540 ~13,000 SPL-Frejus 2.2 0.32 130 ~18,000 0.4% FeHo 8/120 “4” 1~3 1290 ~50,000 I II III

Performances attese OPERA 6.6 (10) 10.5 (15.8) 16.4 (24.6) 0.7 (1.1) signal (Dm2 = 1.9 x 10-3 eV2) (Dm2 = 2.4 x 10-3 eV2) (Dm2 = 3.0x 10-3 eV2) BKGD OPERA 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)