Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 1 Lino Miramonti On behalf of Borexino and ICARUS Milano Groups.

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1 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 1 Lino Miramonti On behalf of Borexino and ICARUS Milano Groups

2 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 2  Utilizza conoscenze e tecniche tipiche della fisica delle particelle per studi a carattere Astrofisico/Cosmologico.  Utilizza particelle provenienti dallo spazio per studi di fisica delle particelle. Fisica delle particelle Astrofisica & Cosmologia Fisica astroparticellare Principali tematiche: Fisica del neutrino (Solare, Supernova, Atmosferici, Geoneutrini, neutrino da reattori e da acceleratori, ecc..) Raggi cosmici Processi rari (doppio decadimento beta, decadimento del protone ecc..) Materia oscura (WIMP’s) Onde gravitazionali Fisica nucleare (Misure di sezioni d’urto di interesse astrofisico) ……. Principali tematiche: Fisica del neutrino (Solare, Supernova, Atmosferici, Geoneutrini, neutrino da reattori e da acceleratori, ecc..) Raggi cosmici Processi rari (doppio decadimento beta, decadimento del protone ecc..) Materia oscura (WIMP’s) Onde gravitazionali Fisica nucleare (Misure di sezioni d’urto di interesse astrofisico) ……. Le piccole sezioni d’urto e/o la rarità dei processi ricercati comporta la collocazione degli apparati sperimentali (la maggior parte di essi) al riparo dalla radiazione cosmica

3 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 3 Laboratori Nazionali del Gran Sasso Sono i più grandi laboratori sotterranei del mondo per la fisica astroparticellare. 3 grandi sale sperimentali (~ 100x20 m alte ~ 18 m) Sono i più grandi laboratori sotterranei del mondo per la fisica astroparticellare. 3 grandi sale sperimentali (~ 100x20 m alte ~ 18 m) 1400 m di copertura di roccia (equivalenti a 3500 m di acqua) [attenuaz. dei µ cosmici ~ 10 –6 ]

4 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 4 Sia gli esperimenti radiochimici che quelli in tempo reale con acqua rivelano meno neutrini di quanto predetto dal modello solare: Problema del Neutrino Solare (SNP) Borexino Gianpaolo Bellini, Silvia Bonetti, Barbara Caccianiga, Davide Franco, Marco Giammarchi, Paolo Lombardi, Emanuela Meroni, Lino Miramonti, Mariaelena Monzani, Laura Perasso, Gioacchino Ranucci RADIOCHIMICI Gli esperimenti con il Gallio ed il Cloro integrano sullo spettro energetico e sul tempo. CHERENKOV Meno dell’0.01% del flusso dei neutrini solari è stato misurato in tempo reale. Scopo principale dell’esperimento è la misura in tempo reale della componente a bassa energia dei neutrini solari

5 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 5 La soluzione al Problema del Neutrino Solare va ricercata tra le proprietà intrinseche del neutrino stesso! Oscillazioni del Neutrino: Fisica oltre il Modello Standard Parte dei neutrini di tipo elettronico (ν e ) prodotti nel nucleo del Sole, si trasformano in neutrini di altra natura (ν x ) nel loro viaggio verso il rivelatore. Il fenomeno di oscillazione può essere “amplificato” in presenza di un mezzo ad alta densità elettronica (come il nucleo del Sole) → Effetto MSW ( Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein ) I risultati degli esperimenti determinano i migliori valori dei parametri di oscillazione: tale soluzione è detta Large Mixing Angle Solution (LMA-Solution). νeνe νxνx Probabilità di rivelare ν x ad una data distanza L se ν(0) = ν e : Angolo di mixingDiff. di massaDistanza Energia

6 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 6 Probabilità di sopravvivenza (Soluzione LMA) MeV oscillazioni nel vuoto Oltre al ν solare Borexino potrà studiare i neutrini emessi dalla Terra (Geo-neutrini), neutrini provenienti da esplosioni di Supernova, momento magnetico del neutrino [con sorgenti artificiali] 7 Be oscillazioni nella materia (MSW) Non ancora studiata in modo diretto Borexino Physics Goals Osservazione in tempo reale dei ν solari sotto il MeV ( Modello Standard Solare ) Osservazione diretta oscillazioni nel vuoto

7 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 7 La parte sensibile del rivelatore è costituita da 300 tonnellate di scintillatore liquido (PC+PPO) contenute in un pallone di nylon ultrasottile (125 µm) di 8.5 m di diametro. Primo schermo: Buffer liquido ultrapuro costituito da 1000 tonnellate di PC contenuto in una sfera d’acciaio di 13.7 m di diametro. 2200 fotomoltiplicatori (installati all’ interno della sfera d’acciaio) rivelano la luce prodotta nello scintillatore. Secondo schermo: Buffer costituito da oltre 2000 tonnellate di acqua ultrapura contenute in una struttura d’acciaio a forma di cupola. 200 fotomoltiplicatori (installati all’esterno della sfera d’acciaio) per la rivelazione della luce Cherenkov prodotta dai muoni cosmici residui. (vedi Poster P.Lombardi)

8 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 8 E ν = 862 keV (monocromatico) Φ SSM = 4.8 · 10 9 ν s -1 cm 2 Energia dell’e - di rinculo Eventi attesi (nell’ipotesi LMA): ~35 conteggi al giorno (tra 250-800 keV) Scattering elastico

9 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 9 Per poter studiare le interazioni da neutrino con una soglia di rivelazione così bassa (i.e. 250 keV) occorre raggiungere un altissimo grado di radiopurezza nella parte attiva del rivelatore. Ciò comporta:  Scintillatore (PC+PPO)  < 10 -16 g/g per gli isotopi delle catene dell’U e del Th  < 10 -14 g/g per il 40 K  14 C/ 12 C < 10 -18  Purezza dell’Azoto utilizzato per trattare lo scintillatore  < 0.1 µBq 222 Rn/m 3 N 2  < 0.2 mBq 85 Kr/m 3 N 2  < 0.5 mBq 39 Ar/m 3 N 2 Materiali solidi, liquidi, gassosi con purezze 10 7 /10 10 migliori di quanto si trova in natura!  Accurata selezione e pulizia dei materiali utilizzati  Ricorso a sofisticate tecniche di purificazione A titolo d’esempio: Il quantitativo di U/Th che comunemente si trova nella roccia è dell’ordine dei ppm (10 -6 g/g) 10 ordini di grandezza! In aria si ha circa: ~ 20-100 Bq per 222 Rn ~ 1 Bq/m 3 per il 85 Kr ~ 13 mBq/m 3 per l’ 39 Ar

10 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 10 Al fine di misurare le radiopurezze per l’esperimento Borexino si e’ realizzato un rivelatore prototipo con: alto grado di purezza (10 -16 g/g U e Th!) e grandi masse di interazione (tonnellate!) Denominato Counting Test Facility [CTF]  4 tonnellate di scintillatore liquido  100 fotomoltiplicatori  Schermo di acqua ultrapura (4.5 m)  Sistema di veto per muoni (vedi Poster M.Monzani)

11 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 11 Tali caratteristiche hanno permesso i seguenti risultati di fisica fondamentale: Limite sulla stabilità dell’elettrone Limite sul momento magnetico del neutrino Limiti sul principio di esclusione di Pauli Limiti sul decadimento del nucleone in canali invisibili Limiti sul miscelamento di neutrini pesanti nel decadimento nel 8 B grande massa di interazione altissimo grado di radiopurezza rivelatore unico per la ricerca di eventi rari e processi soppressi (vedi Poster B.Caccianiga)

12 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 12

13 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 13 Borexino in costruzione 18 m

14 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 14 Sfera d’acciaio 13.7 m di diametro

15 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 15 Posizionamento dei palloni di nylon

16 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 16 Palloni di nylon

17 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 17 Neutrini (atmosferici, solari, da supernovae, da acceleratori) Decadimento del protone ( previsto da alcune teorie oltre il M.S. ) (Fisica oltre il Modello Standard) ICARUS Giuseppe Battistoni, Silvia Muraro, Paola Sala, Matthias Lantz ICARUS ( Imaging Cosmic And Rare Undergroud Signal ) è un progetto basato sulla realizzazione di una Camera a Proiezione Temporale (TPC) ad Argon liquido (LAr) di grande massa.

18 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 18 Il rivelatore è in grado di produrre immagini tridimensionali ( come nella camera a bolle ) risultare sempre attivo e fare uso un “auto-trigger“ Inoltre Densità Argon liquido: 1.4 Risoluzione spaziale ~ 3 mm 3 “Camera a Bolle Elettronica” “Camera a Bolle Elettronica” Ricostruzione tridimensionale:  Tre piani di fili anodici (x,y)  La terza dimensione (z) è ottenuta dal tempo di deriva Principio di funzionamento Livello di impurezze < 0.1 ppb di O 2 equival. Alta risoluzione → Riduzione degli errori sperimentali → Maggiore sensitività L'intero volume di argon liquido è immerso in un campo elettrico uniforme. Risoluzione energetica  (E)/E = 7% / √E(MeV) per e - di bassa energia  (E)/E = 3% / √E(GeV) per sciami em  (E)/E = 16% / √E(GeV) + 1% per sciami adronici

19 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 19 Criostato (semimodulo) 20 m 4 m Il rivelatore ICARUS T600 2 unità identiche (Semimoduli) Modulo T600 2 TPC Catodo in comune Piani di fili anodici Semimodulo

20 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 20 Catodo Piani di fili anodici Vista interna (Camera sinistra) Vista interna (Camera sinistra) UV PMT Piani di fili Anodici 0° +60° -60°

21 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 21 Esempio di risultato ottenuto con un “run di prova” del primo semimodulo del T600 effettuato con raggi cosmici in superficie [Pavia] (Dedicato alla verifica delle funzionalità del rivelatore) Esempio di risultato ottenuto con un “run di prova” del primo semimodulo del T600 effettuato con raggi cosmici in superficie [Pavia] (Dedicato alla verifica delle funzionalità del rivelatore) 18 m Traccia di un muone che attraversa longitudinalmente il piano catodico catodo Camera destra Camera sinistra 1,5 m Vista dall’alto Vista tridimensionale Ricostruzione tridimensionale dell’evento

22 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 22 Esempi di ricostruzione di uno sciami elettromagnetici Esempio di ricostruzione di interazione adronica

23 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 23 Identificazione delle particelle AB BC K+K+ µ+µ+ Run 939 Event 46 A B C D K+K+ µ+µ+ e+e+ Collection Induction I K+K+ µ+µ+ e+e+ La ricostruzione 3D permette di calcolare dE/dx e il Range → IDENTIFICAZIONE Esempio di un decadimento di un Kaone

24 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 24 Il modulo T600 si trova attualmente in Sala B del LNGS La struttura meccanica di supporto per il modulo T600 è completata I rivelatore dovrebbe essere funzionante da fine 2006

25 Lino MiramontiHighlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005 25 La Collaborazione ICARUS sarà impegnata nello studio e realizzazione di moduli con masse dell’ordine delle migliaia di tonnellate