Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 1 Le Misure : schema ● Flusso : ● Spettro E ● Composizione ( e      ● Distanza da R R S ● Sensibilita'

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1 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 1 Le Misure : schema ● Flusso : ● Spettro E ● Composizione ( e      ● Distanza da R R S ● Sensibilita' ai diversi tipi di neutrini ● Soglia (minima energia misurabile) ● Misurare energia, direzione, etc.

2 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 2 Sorgenti ● Sole – v e da fusione nel nucleo del sole ● Atmosfera – v   v e da interazione dei raggi cosmici con gli strati alti dell'atmosfera ● Reattori – da fissione ● Acceleratori – da decadimenti mesoni , k ● Altro – fondo cosmico, Supernova

3 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 3 Neutrini dal Sole ● Produzione: fusione pp ->d e v (e processi conseguenti) ● Emissione di energia che determina, tra l'altro, l'equilibrio idrostatico del sole. ● Si stabilisce una relazione tra il flusso di neutrini e la luminosita' solare (misurata) : ● Il flusso viene calcolato mediante il “Modello Standard Solare”  ⇔ L ⊙

4 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 4 Il MSS (1) ● Reazioni nucleari elementari ( N( ) ⇔ MeV ) ● Relazione tra luminosita' osservata L ⊙ e tasso di produzione di energia   d L ⊙  r 2  r  dr  ● Il profilo di densita' e' ottenuto da dati di eliosismologia, e dall'equazione di equilibrio idrodinamico : ● Trasporto dell'energia (radiazione/convezione ): – nucleo: domina radiazione – superficie : domina la convezione ● Assorbimento fotoni (opacita' K) ad opera della materia solare Ingredienti per il calcolo del Flusso

5 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 5 Il MSS (2) Si utilizzano le equazioni dell'evoluzione stellare per ricavare le equazioni di stato che regolano, p( ,T,X), K( ,T,X),  ( ,T,X) (X: composizione chimica) Si impongono i parametri misurati del sole: (T sup = 5700 o K, Eta' = 4.6 10 9 y, L ⊙ =3.85 10 26 W, M =... ) Gradi di liberta' (determinati dal fit ai dati) : abbondanza H/He 4 (si trova X H = 34.1 % X He = 63.9%, X(Z>2) ~2%) rapporto convezione/radiazione (r) Risultato  (Terra) ~ 6 10 10  s -1 cm -2

6 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 6 Esercizio ● Ricavare il flusso di neutrini dal sole sulla terra sapendo che : – il principale processo di fusione e' – l'energia prodotta e' – la distanza terra-sole e' L ST = 1.5 10 11 m – il sole emette una potenza pari a 3.85 10 26 W

7 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 7 Meccanismi di produzione ● Determinano il flusso e lo spettro in energia dei neutrini prodotti ● Energie piccole : solo una frazione di questi puo' essere osservata ● Bisogna studiare i dettagli dei meccanismi di produzione ● Esistono due cicli principali: – pp ( ~ 98.5 dell'energia prodotta ) – CNO ● Entrambi si traducono nella sequenza

8 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 8 Le sequenze 85% 15 % 2.4 10 -5 E v < 0.42 MeV E v = 0.862 MeV E v < 14 MeV E v < 18.8 MeV

9 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 9 Osservazioni Energie molto basse (< 20 MeV): ● posso osservare solo una frazione del flusso complessivo – importante calcolare con precisione le singole componenti dello spettro ● (eventuali)     non hanno l'energia necessaria per produrre  mediante interazioni di CC – solo esperimenti di scomparsa (deficit e osservati)

10 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 10 Esperimenti sui Neutrini Solari ● Radiochimici: Instabile, identifico il decadimento ● Elettronici: Osservo segnale da e diffuso ● Sezioni d'urto piccole, servono rivelatori di grandi dimensioni

11 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 11 Il Tasso d'Osservazione R= numero di eventi osservati/sec : flusso Sezione d'urto Per 1 evento / giorno (10 5 sec) : Efficienza di rivelazione: dipende fortemente dal processo utilizzato e dalla porzione di spettro analizzato

12 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 12 Radiochimici ● E min bassa: –  alta ~ 1-10 % – Tutto (o quasi) lo spettro ● “Piccoli”: o(10- 100 ton) ● Nessuna informazione su v incidente (E, , t ) Elettronici ● E min ~ 5 MeV: –  bassa ~ 10 -4 – Solo 8 B ● Grandi: ~ 10 kton o piu' ● Misurare (E, , t ) del v (in tempo reale) Riduce notevolmente le incertezze sul calcolo del flusso

13 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 13 La Solar Neutrino Unit (SNU) ● Si definisce la SNU = 10 -36 catture /atomo/ sec come unita' di misura dei flussi di neutrini ● La resa misurata in SNU dipende da , ma non dalle dimensioni del rivelatore ● La resa predetta (in SNU) dipende inoltre dal Modello Standard Solare (flusso integrato entro la regione di sensibilita' del rivelatore)

14 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 14 Radiochimici (1) : HomeStake ● Miniera in disuso nel South Dakota, run dal 1967 al 1998 ● Reazione ; ● 615 ton C 2 Cl 4 (perclorato-etilene, 37 Cl ~ 24%, 2.2 10 30 atomi di bersaglio), flussato ogni ~ 60 giorni per estrarre 37 Ar (elemento volatile), identificato a parte mediante decadimento  : Soglia 814 KeV ( 7 Be, no pp) Predizione : 7.5 ± 1.2 SNU (1.15 7 Be + 5.76 8 B) Osservato : 2.56 ± 0.16 ± 0.15 SNU Rapporto O/P : 0.34 ± 0.05 1.4 37 Ar/giorno

15 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 15 Radiochimici (2) : e 71 Ga -> e - 71 Ge ● GALLEX, GNO (Gran Sasso 91-97, 30 ton in soluzione HCl ) ● SAGE (Lago Baksan, 1990-2001 Caucaso, 50 ton Ga liquido 40 o ) ● Estrazione ~ 20 gg di GeCl 4 (volatile), rivela 71 Ge mediante processo di cattura: e - 71 Ge -> 71 Ga v e ● 71 Ga e' instabile, rivelo righe K,L del decadimento  Soglia 233 KeV ( 7 Be e anche pp) Predizione : 128 ± 8 SNU (70 pp +34 7 Be + 12 8 B +...) GALLEX : 69.3 ±4.1 ±3.6 SNU SAGE : 69.1 ±4.3 SNU Rapporto : 0.56 ± 0.05

16 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 16 Tempo Reale (1) : SuperKamiokande ● 22.5 Kton H 2 0 v e e-> v e e ● Misura  Cherenkov in H 2 O e emesso ● E v >> m e, e collineare con v incidente: Soglia 5 MeV (solo 8 B) cos(Angolo) rispetto al sole Fondi Segnale 22400 ± 800 # v /day vs E v (MeV) Predizione : 5.5 ±1 10 6 v/cm 2 /s Osservati : 2.35 ±0.02±0.08 10 6 v/cm 2 /s Rapporto (O/P) : 0.465 ±0.005 ±0.083 Esercizio Maggiori dettagli poi...

17 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 17 Alcune Domande ● E' un vero deficit, o e' sbagliato il calcolo dei flussi ? ● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere) ● Oscillazione nel vuoto (  grande) o nel sole (  piccolo + risonanza ) ● Oscillazione anche nella terra ?

18 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 18 Alcune Domande ● E' un vero deficit, o e' sbagliato il calcolo dei flussi ? ● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere) ● Oscillazione nel vuoto (  grande) o nel sole (  piccolo + risonanza ) ● Oscillazione anche nella terra ? Misure di S.N.O.

19 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 19 Alcune Domande ● E' un vero deficit, o e' sbagliato il calcolo dei flussi ? ● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere) ● Oscillazione nel vuoto (  grande) o nel sole (  piccolo + risonanza ) ● Oscillazione anche nella terra ? Misure di S.N.O e reattori

20 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 20 Alcune Domande ● E' un vero deficit, o e' sbagliato il calcolo dei flussi ? ● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere) ● Oscillazione nel vuoto (  grande) o nel sole (  piccolo + risonanza ) ● Oscillazione anche nella terra ? NO SNO e SuperKamiokande

21 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 21 Una Considerazione ● SK e SNO misurano la reazione elastica v e -> v e ● A rigore non e' ristretta ai soli v e, ma questi sono favoriti dalle C.C.: v v e e veve e veve e v e,v ,v  Solo v e Z W

22 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 22 Diffusione Elastica ve -> ve ● Se il fascio contiene f  neutrini di tipo  la sezione d'urto media osservata e':  DE =  0 { 1.66 f e + 0.27 (f  +f  ) } ● Se f e = f  +f , il contributo di v e a  DE e'1.66/(1.66+0.27) = 86 % Deficit di v e ! ● Posso misurare indipendentemente i tre flussi ? Esercizio: ricavare questi rapporti ricordando che : g Ve = -1/2+2sin 2  W = -0.0376, g Ae = -1/2

23 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 23 Il principio di SNO ● Misuro tre processi, diversamente sensibili a v e,v  e v  : 1) E.S. v  e -> v  e f e +0.14(f  +f  ) come SK 2) C.C. v e d -> epp 100%v e 1.442 MeV 3) C.N. v  d -> v  pn f e +f  +f  (uguali) 2.225 MeV ● Cfr 1)+2)+3) : calcolo il flusso complessivo di v dal sole ● Misura indipendente da Modello Standard Solare

24 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 24 Il Sudbury Neutrino Observatory ● Miniera di Sudbury (Ontario), 2070 m ● Nocciolo: 1Kton D 2 O ultra pura ● Schermo: 8Kton H 2 O ultra pura ● ~ 10000 fotomoltiplicatori per misurare radiazione Cherenkov

25 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 25 Il metodo di SNO 1)E.S. v  e -> v  e f e +0.14(f  +f  ) 2)C.C. v e d -> epp 100%v e 3)C.N. v  d -> v  pn f e +f  +f  (uguali) 1999-2001: n d -> 3 He  (E  = 6.3 MeV,  ~ 14 %) Dal 2001 aggiunta 2ton NaCl: n 35 Cl -> 36 Cl + raggi  (  E  ~ 8.6 MeV,  ~ 40 %) Isotropia  Direzione rispetto al sole Perche' le CC sono isotrope ?

26 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 26 Risultati (SNO + SK) ● Il sole produce solo v e ● Assenza di oscillazione: f CC =f ES =f NC =f(v e ) (f(v  )=f(v  )=0) ● Oscillazione: f(v e )=f CC < f NC =f(v e )+f(v  +v  ) Possiamo dedurre dal grafico se l'oscillazione ha luogo ? fefe ff

27 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 27 Risultati Numerici(SNO + SK) ● Il flusso osservato e' consistente col calcolo del MMS ● I neutrini provenienti dal sole consistono, sulla terra, 30% v e, 70% v  +v  (ma non sappiamo quali dei due) Prova Definitiva Oscillazione v

28 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 28 Oscillazione nel vuoto ? ● Dovrei osservare: – Modulazioni stagionali ~ 10 % (dipendenza da L) – Modulazioni in Energia ~ 20 % (dipendenza da E) ● Probabilita' di scomparsa: L ~ 1.496 10 11 m  L/L ~ 3%

29 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 29 Oscillazione nel sole Nessun effetto osservato Le oscillazioni nel vuoto non bastano a spiegare il fenomeno, ma bisogna ricorrere all'effetto della materia solare No variazione giorno-notte (SK): nessuna effetto dovuto alla Terra Dati vs Teoria (no osc vuoto) Modulazione indotta da variazione angolo solido

30 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 30 Neutrini da reattore ● Uso parassitario prodotti secondari da reattori commerciali: 235(238) U, 239(241) P ● Abbondante produzione n che decadono  ● In media 6 anti-v e / fissione ● Tipica precisione ~ +- 3% : – Conoscenza processi di fissione e decadimento – Conoscenza dettagliata parametri operativi ● Si rivela mediante

31 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 31 Risultati da reattori ● Rivelatori “vicini” (CHOOZ, Palo Verde) ~ 1 Km dai reattori – Sensibilita'  m 2 ~ 10 -3 ev 2 ● KAMLAND ~ 140-200 Km da 26 reattori P ~ 70 GW – e rivelato mediante  inverso: – Sensibilita'  m 2 ~ 10 -5 ev 2 rivelati in coincidenza ritardata

32 Corso di Fisica Subnucleare Parte II – AA 06-07 32 Risultati Oscillazione v e ● Combinando SK, SNO e Kamland (CP conservata):  m 2 = (8.0 ± 0.5) 10 -5 ev 2  = (33.9 ± 2.3) o