Oscillazioni di neutrini Presente e futuro Ubaldo Dore 29 aprile 2003 1 ubaldo dore oscillazioni

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

ubaldo dore oscillazioni 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 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 dall’origine. 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 ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni 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 ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Esempi di pattern di oscillazione P(nm) ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni 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 nell’atmosfera. 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) ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Neutrini solari 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 L’argon 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 ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Super-Kamiokande ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni 4.5 ton ubaldo dore oscillazioni Ora Superkamiokande (SK) 22000 eventi 15/giorno

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

ubaldo dore oscillazioni Negli ultimi due anni due esperimenti hanno dimostrato che il deficit è dovuto ad oscillazioni e non a problemi del SSM 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 ubaldo dore oscillazioni

Sudbury Neutrino Observatory 1000 tonnes D2O Support Structure for 9500 PMTs, 60% coverage 12 m Diameter Acrylic Vessel 1700 tonnes Inner Shielding H2O 5300 tonnes Outer Shield H2O Urylon Liner and Radon Seal ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni n Reactions in SNO ES - + Þ e ν x Both SK, SNO Mainly sensitive to ne,, less to n and n Strong directional sensitivity CC - e p d + Þ n Good measurement of ne energy spectrum Weak directional sensitivity  1-1/3cos(q) - ne ONLY NC x n + Þ p d Measure total 8B n flux from the sun. - Equal cross section for all n types ubaldo dore oscillazioni

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ubaldo dore oscillazioni KamLAND Experiment 300 180 km ubaldo dore oscillazioni

Investigate Solar Neutrino Anomaly Under Laboratory Conditions Dm2 (eV2) 10-4 KamLAND : Thermal power ~ 80GW <E> ~ 3 MeV <base line> ~ 180 km Dm2 ~ 10-5 eV2 10-6 10-8 ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Observed Event Rates Final sample 　　 162 ton•yr, Eprompt > 2.6　MeV 54 ev Expected Background 0.95 ± 0.99 ev accidental 0.0086 ± 0.0005 9Li/8He (b, n) 0.94 ± 0.85 fast neutron 0 ± 0.5 86.8 ± 5.6 ev ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Ratio of Measured to Expected ne Flux from Reactor Neutrino Experiments LMA: Dm2 = 5.5x10-5 eV2 sin2 2Q = 0.833 ubaldo dore oscillazioni

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

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

ubaldo dore oscillazioni Neutrini atmosferici prodotti dai raggi cosmici primari 15Km I neutrini provengono dal decadimenti mesoni prodotti dalle interazioni dei raggi cosmici primari nell’ atmosfera. I neutrini possono arrivare dall’alto percorrendo circa 15 km o dal basso percorrendo circa 13000 km. I neutrini vengono rivelati nei rivelatori sotterranei. 500 Km 13.000 Km ubaldo dore oscillazioni

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

ubaldo dore oscillazioni I risultati di SK per i neutrini atmosferici sono stati confermati da un esperimento “Long Baseline” K2K I neutrini prodotti dall’acceleratore 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 dell’incidente 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. ubaldo dore oscillazioni

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ubaldo dore oscillazioni 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 ubaldo dore oscillazioni

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

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OPERA Final Design with 2 SuperModules 31 target planes / spectrometer (206336 bricks, 1766 tons) Rear damping structure Front damping structure   Electronic barrack ubaldo dore oscillazioni

OPERA / Attività in Sezione Componenti del Gruppo: G. Rosa, P. Righini, L. Berardo, A. Ruggieri, P. Pecchi Responsabilità: Infrastrutture “Emulsion handling” al LNGS Intercalibrazione con R. Cosmici al GS Partecipazione al progetto europeo per scanning automatico 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 ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Al momento attuale la la conoscenza dei parametri delle oscillazioni è la seguente valori 45o Regola Oscillazioni solari Regola oscillazioni atm 45o <13o Puo essere determinato in DM122=M12-M22 0.6 -0.9 10-4 ev2 DM232=M32 - M22 2.6 10-3 ev2 Fase d della matrice di mixing ??? ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Solo un valore diverso da zero di Q13 permette la presenza di effetti di violazione di CP ( ) Determinazione di Q13 ( ) j k>j For experiments at terrestrial baselines, with D12<<1: P(ne ® nm) @ sin22q13 sin2q23 sin2 D23 = sin22qme sin2 D23 P(nm ® nt) @ cos4q13 sin22q23 sin2 D23 = sin22qmt sin2 D23 P(ne ® nt) @ sin22q13 cos2q23 sin2 D23 = P(nm ® nm) @ = 1 – (sin22qmt + sin22qme) sin2 D23 P(ne ® ne) @ 1 - sin22q13 sin2 D23 Only 3 parameters: q23 Dm23 q13 Reduce to two flavour mixings with effective mixing angles: sin22qmt = cos4q13 sin22q23 @ sin22q23 sin22qme = sin22q13 sin2q23 @ 0.5 sin22q13 ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni JHF Energy(GeV) Current(mA) JHF K2K NuMI CNGS E(GeV) 50 12 120 400 Intensity (1012ppp) 330 6 40 48 Rate (Hz) 0.29 0.45 0.53 ~0.10 Power (MW) 0.75 0.0052 0.41 0.3 ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni CONCLUSIONI 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 d ubaldo dore oscillazioni

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If neutrinos have mass: Present and Future If neutrinos have mass: For three neutrinos: Maki-Nakagawa-Sakata-Pontecorvo matrix Solar,Reactor Atmospheric CP Violating Phase Reactor, Accel. Future Future Range defined for Dm12, Dm23 For two neutrino oscillation in a vacuum: (valid approximation in many cases) ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni Off-Axis neutrino Beams Target Horns Decay Pipe n Detector mp2 – mm2 1 mp2 En= 2 ( mp2 – mm2 Ep mp2 (1 + gp2q2)  Much higher flux than old-style NBB. Strong cut-off of HE tail. Reduced ne contamination.  Tune energy to maximise sensitivity D = 1.27 . Dm2(eV2) . L(Km) / E(GeV)  Beam energy almost fixed by geometry ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni JHFn Near Detectors Flux.L2 @ Super-K Flux.L2 @ 1.5 Km Flux.L2 @ 0.28 Km Near detector at 280 m Covers from 0o to 3o. Monitor the beam stability and flux. High rate: 60 events/kt/spill. Study nm and ne interactions: CCQE, CC, NC. Non point-like n source, different target, different detector technology: flux extrapolation to Super-K problem. 60% difference Intermediate detector at 1.5 Km 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 ne background subtraction. Better than 10% ubaldo dore oscillazioni

ubaldo dore oscillazioni KamLAND Detector r m Dr Present analysis ~ 22% ubaldo dore oscillazioni

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