Rivelatori per Neutrini

Presentazione sul tema: "Rivelatori per Neutrini"— Transcript della presentazione:

1 Rivelatori per Neutrini
IFAE 2005 D’Ambrosio N.

2 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

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

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

5 esperimenti radiochimici. Gallex/GNO @ GranSasso
Neutrini solari (νe): esperimenti radiochimici. 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 -> Ge + e- Si conta il numero di atomi di 71Ge utilizzando il loro decadimento radioattivo

6 Gallex-Sage results

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

8 Sudbury Neutrino Observatory

9 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

10 Neutrini da reattore:KamLAND

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

12 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

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

14 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)

15 Neutrini Atmosferici

16 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

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

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

19 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

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

21 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)

22 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

23 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

24 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 > (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

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

26 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

27 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 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

28 ICARUS Camera a Bolle Elettronica X,Y, time

29 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

30 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

31 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

32 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

33 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

34 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

35 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

36 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

37 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

38 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)

39 + 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

40 Long Baseline Experiments: MINOS

41

42 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

43 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)