Le Astroparticelle1 Le Astro-particelle 1.Introduzione 2. Il Modello Standard del microcosmo 3. LHC. Esperimenti 4. Neutrini. Sorgenti di neutrini 5. Oscillazioni dei Neutrini 6. Telescopi per neutrini 7. Onde gravitazionali 8. Conclusioni. Prospettive Giorgio Giacomelli Giorgio Giacomelli Universita’ di Bologna e INFN Bologna, 7/11/2009 Lezioni Lincee di astronomia

Le Astroparticelle2 1. Introduzione. La struttura della materia m molecola es. grafene: strato monoatomico di atomi di C --> Vuoto dovunque ?

Le Astroparticelle3 Il Modello Standard del microcosmo Costituenti ultimi Quarks Leptoni Forze Fondamentali Elettromagnetica  Forte g Debole Z,W Gravitazionale G Materia ordinaria costituita di protoni, neutroni, elettroni. --> u, d, e + ,   sempre viaggianti

Le Astroparticelle4 Le masse dei costit.ultimi variano da centinaia di GeV a meno di 1eV Le masse dei  sono nulle nel MS Le oscillazioni dei  indicano masse non nulle, ma molto piccole Masse dei costituenti ultimi Cosmologia -->  m <0.7 eV

Le Astroparticelle5 Il Modello Standard (Electrodebole+Forte) L’unica cosa mancante nel MS e’ il bosone di Higgs. Il nuovo acceleratore LHC dovrebbe rispondere a : C’e’ un bosone di Higgs? Qual’e’ la sua massa? E’ elementare o composto? Fisica al di la’ del MS -Ci sono molte motivazioni per cercare nuova fisica al di la’ del MS (Infiniti, SUSY, Materia Oscura,….) -Le osservate oscillazioni dei sono un’indicazione di nuova fisica? Possibili candidati per la Materia Oscura -particella supersimmetrica piu’ leggera [WIMP,neutralino(cold DM)] -Axion (warm DM); nucleariti, monopoli magnetici,….. Misure di precisione agli acceleratori hanno verificato le previsioni del MS senza trovare alcun difetto QCD e’ la teoria dell’Interazione Forte

Le Astroparticelle6 3. LHC +acceleratori al CERN (non in scala) LHC e’ la macchina piu’ complessa che sia mai stata costruita: 7000 magneti superconduttori Eperimenti: ATLAS, CMS, ALICE,LHCb,..

Le Astroparticelle7 SPS Page 1

Le Astroparticelle8 L’esperimento CMS a LHC p p

Le Astroparticelle9 View of CMS

Le Astroparticelle10 Un evento di fondo prodotto da un solo fascio in CMS il 7/11/09

Le Astroparticelle11 4. Neutrini. Sorgenti di Neutrini Geo anti- e anti- e da SN  da sorgenti.  cosmiche  e   CMB

Le Astroparticelle12  Oscillazioni dei  Autostati di ”sapore” e, ,  Autostati di massa 1, 2, 3 Decadimenti, Interazioni  +  + ,  n  - p Propagazione 1 (t) = 1 (0) e -Et Mescolamento f =  3 m=1 U fm m Gli autostati di sapore si propagano come sovrapposizione di autostati di massa Per soli 2 sapori (    ), (    ) : Probabilita’ di oscillazione in una distanza L: P(    ) = sin 2 2  23 sin 2 (1.27  m 2 23 L/E ) Sparizione in una distanza L: P(    ) = 1 - P(    ) Se ci sono oscillazioni: m ≠0,  m < 0.1 eV Violazione di L e, L , L , Conservazione di L=L e +L μ +L τ ? Invarianza di Lorentz ?

Le Astroparticelle13 p, He, Fe …     5. Neutrini atmosferici E : 0.1 GeV  100 GeV L:20 km  km L/E : 1 km/GeV  10 5 km/GeV p, He, Fe …   e   e

Le Astroparticelle14 MACRO (12mx9mx76m) (terminato) al Gran Sasso MACRO : Analisi finale H.E. { Zenith distribut R 1 = N(cos  -0.4) E estimateR 2 = N(low E ) / N(high E ) L.E. IU, ID and UGS  R 3 = N(ID+UGS) / N(IU) Best fit parameters for       m 23 2 = eV 2 ; sin 2 2   =1 Predictions of the new FLUKA and Honda Monte Carlos H.E. 25% low ; L.E. 12% low Bartol96 may give additional evidence for oscillations: Absolute values referred to Bartol96 MC: R 4 =(Data/MC) H.E. ; R 5 =(Data/MC) L.E. With these informations, the no oscillation hypothesis ruled out by ~6 

Le Astroparticelle15 SuperKamiokande 50kt total volume 22.5kt fiducial volume 20’PMT photocath.cover. SK-I 11,146 40% SK-II 5,182 19% 41m 39m Mt Ikenoyama 1000m underground

Le Astroparticelle16 6. Esperimenti long baseline K2K (KEK to Kamioka) (250 km) Near Detector and Far Detector (SuperK) Ratio=measured/expected was <1 NuMI from Fermilab to Soudan mine (735 km) Experiment Minos Near Detector (1000 t), Far Detector (5500 t) Ratio=measured/expected < 1  ∆m 23 2 = eV 2 CNGS beam from CERN to Gran Sasso (732 km) Experiments: Opera: Appearance   -->  experiment LVD monitor, Borexino, Icarus Neutrino Beam size at GS :  about 1 km

Le Astroparticelle17 Fascio di  dal CERN al Gran Sasso GPS T CERN = Time Stamp SPS extraction T OPERA = Event TimeStamp T flight = 2.44 msec T OPERA - (T CERN + T flight ) < ∆T Gate GPS Time Stamp resolution ~ 100 ns

Le Astroparticelle18 Struttura dell’esperimento OPERA 31 target planes / supermodule (in total: bricks, 1350 tons)  Targets Magnetic Spectrometers SM1SM2 Scopo principale: verificare che si tratti di oscillazione di ,  --> 

Le Astroparticelle19 OPERA in Hall C 5/28/09L Patrizii - CIPANP09 4 Super Module 1 Super Module 2 CNGS Beam Muon spectrometer for momentum and charge identification of penetrating particles Target 150, 000 bricks (total) Scintillator strips : Brick selection Calorimetry

Le Astroparticelle20 Microscopio automatico veloce

Le Astroparticelle21  kink =0.204 rad “Evento” CC candidato charm

Le Astroparticelle22 n p Advantages w.r.t. other messengers: –Photons: interact with CMB and matter –Protons: interact with CMB and are deflected by magnetic fields –Neutrons: are not stable Drawback: large detectors (~GTon) are needed.  photon 6. “Telescopi” per neutrini. Astronomia a neutrini  di alta energia  Non ci sono per ora risultati positivi. Sono in costruzione telescopi piu’ grandi.

Le Astroparticelle23   43° interaction  Optical detection of  

Le Astroparticelle24 70 m 100 m 14.5 m Junction box Readout cables 40 km cable 2500 m 350 m un piano ANTARES

Le Astroparticelle25 Slide presentata a un convegno sul riscaldamento globale in risposta ad alcune motivazioni dubbie. Forse anche qui ci sono alcune motivazioni dubbie ?

Le Astroparticelle26 Rivelazione di un’onda gravitazionale Interferometro 7. Onde gravitazionali Non ci sono ancora risultati positivi. Si cerca di migliorare la sensibilita’.

Le Astroparticelle27 Onde gravitazionali. Virgo

Le Astroparticelle28 7a. Conclusioni. Prospettive per i Neutrini atmosferici e esperimenti long baseline: 2-flavor oscillation  m 23 2 = Soudan eV 2 MACRO 2.3 “ SK 2.5 “ K2K 2.7 “ Minos 2.38 “ -No    oscillations, No Lorentz invariance violation Mixing massimo I neutrini sono particelle di Dirac o di Majorana ? Si capiscono le oscillazioni dei neutrini atmosferici e dei neutrini solari; si deve determinare se esiste l’oscillazione  --> e e se m 3 >m 2 >m 1 Diversi tipi di Telescopi a Neutrini sono in funzione e/o in fase di ingrandimento

Le Astroparticelle29 7b. Conclusioni. Prospettive Il modello Standard del microcosmo e’ valido, ma manca il bosone di Higgs --> Si attende LHC Solo il ~4% della materia e dell’energia dell’Universo e’ costituito di materia barionica --> C’e’ quindi il problema della Materia Oscura (circa 21%) e dell’Energia Oscura (circa 75%) Materia Oscura: molti candidati particellari ricercati agli acceleratori e nei raggi cosmici e molte ricerche dirette, specialmente nei laboratori sotterranei (come il Gran Sasso) Diversi tipi di rivelatori di onde gravitazionali in funzione e/o in fase di miglioramento della loro sensibilita’. Gli esperimenti principali sono molto grossi e costosi ! Non conosciamo il 95% della materia e dell’energia dell’Universo : e’ quindi necessaria molta attivita’ di ricerca !