M.Taiuti. Genova 17 Giugno 2008 NEMO ANTARES

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1 M.Taiuti GE Genova 17 Giugno 2008

2 Vedere l Universo con altri occhi Storicamente gli astronomi hanno studiato l Universo osservando la luce proveniente dalle stelle con i telescopi. Il telescopio Palomar La luce visibile è soltanto una piccola parte della radiazione elettromagnetica che può essere emessa dai corpi celesti. Pertanto lo studio dei corpi celesti basato sulla sola luce visibile è incompleto. 2

3 Vedere l Universo con altri occhi Storicamente gli astronomi hanno studiato l Universo osservando la luce proveniente dalle stelle con i telescopi. Negli anni 80 la realizzazione di grandi radiotelescopi ha permesso di scoprire nuovi corpi celesti e nuovi fenomeni. Il telescopio Palomar VLA 3

4 Vedere l Universo con altri occhi Storicamente gli astronomi hanno studiato l Universo osservando la luce proveniente dalle stelle con i telescopi. Negli anni 80 la realizzazione di grandi radiotelescopi ha permesso di scoprire nuovi corpi celesti e nuovi fenomeni. Il telescopio Palomar VLA Da alcuni anni i fisici nucleari e particellari collaborano con gli astrofisici per osservare anche le radiazioni di alta energia provenienti dalle stelle. Satelliti scientifici Queste possono svelarci i fenomeni più violenti che avvengono nell Universo. Ma, sino ad oggi, solo pochissime sorgenti sono state osservate. 4

5 Sonde differenti ci svelano i segreti delle stelle La nebulosa del Granchio è uno degli oggetti astrofisici più studiati. E il risultato dell esplosione di una SuperNova osservata da astronomi cinesi nel

6 Sonde differenti ci svelano i segreti delle stelle La nebulosa del Granchio è uno degli oggetti astrofisici più studiati. E il risultato dell esplosione di una SuperNova osservata da astronomi cinesi nel

7 Sonde differenti ci svelano i segreti delle stelle La nebulosa del Granchio è uno degli oggetti astrofisici più studiati. E il risultato dell esplosione di una SuperNova osservata da astronomi cinesi nel

8 Sonde differenti ci svelano i segreti delle stelle L osservazione della luce inclusa la polarizzazione e delle onde radio emesse ha permesso di comprendere la struttura esterna della nebulosa Ma solo da pochi anni il satellite Chandra ha identificato una pulsar, nascosta all interno della nebulosa del Granchio, osservando le sue emissioni di raggi X. 8

9 Le sorgenti più violente dell Universo: i GRB Esistono fenomeni detti Gamma Ray Bursts (Lampi di Raggi Gamma) che producono in meno di un secondo le più potenti emissioni di energia finora osservate (10 53 erg/sec). Le luminosità osservate fanno pensare che questi fenomeni originino da una esplosione di una SuperNova particolarmente violenta che sprigiona, in 1 secondo, un energia pari alla massa del Sole. 9

10 I raggi cosmici Un altra fonte di informazione sul cosmo è data dalla osservazione dei raggi cosmici. protoni galattici nuclei galattici protoni extragalattici Questi raggi cosmici possiedono un energia sufficiente a far evaporare completamente una gocciolina d acqua di raggio 1mm 10

11 Le particelle cosmiche di altissima energia In prossimità dei buchi neri ed all interno dei getti astrofisici avvengono fenomeni ancora sconosciuti che si crede siano molto simili a quelli prodotti dagli scienziati nei laboratori di fisica nucleare e subnucleare, ma ad energie sino ad 1 miliardo di volte più elevate. getto astrofisico protoni ed elettroni accelerati onde d urto campi magnetici buco nero 11

12 L astrofisica con neutrini di altissima energia In particolare viene prodotta una particella ben nota ai fisici nucleari: il neutrino. Acceleratore di particelle p + p... +, bersaglio (nuclei) rivelatore di neutrini protone neutrino bersaglio (protone o fotone) neutrino protone p + p,... +, 12

13 Il neutrino: la particella più elusiva Il neutrino è una particella davvero particolare. È un leptone, come l elettrone, ma: non ha carica elettrica la sua massa è quasi nulla interagisce con la materia (nuclei ed elettroni) tramite la cosiddetta forza debole. In altri termini attraversa la materia quasi indisturbato. Il fisico teorico Pauli, che ne postulò l esistenza, nel 1932 disse: Ho fatto una cosa terribile! Ho trovato una particella che non potrà mai essere identificata Ma i fisici sperimentali non desistettero e nel 1956 Reines e Cowan riuscirono ad identificarlo osservando le intense emissioni di un reattore nucleare. 13

14 Il neutrino: una buona sonda astronomica L astronomia è l osservazione diretta delle stelle. Dunque l osservatore ha bisogno di una sonda che arrivi dalla stella e non venga deflessa o, peggio, assorbita durante il suo cammino. Il neutrino non possiede carica elettrica e quindi non viene deflesso dai campi elettromagnetici. Interagisce debolmente con la materia e non interagisce con la radiazione, quindi può attraversare indisturbato distanze intergalattiche. L osservazione dei neutrini di bassa energia emessi dalle stelle ha già prodotto diversi risultati scientifici di grande interesse. Il Sole è una intensa sorgente di neutrini (di bassa energia) che sono generati durante le reazioni di fusione nucleare che tengono accesa la nostra Stella. Anche l esplosione di una Supernova genera un enorme flusso di neutrini che può essere osservato dalla Terra. Come avvenuto nel 1987 quando furono catturati circa 20 neutrini provenienti dall esplosione della SN1987A, nella vicina Piccola Nube di Magellano, a circa 200 mila anni luce dalla Terra. 14

15 L astrofisica con neutrini di altissima energia direzione apparente del protone I protoni di bassa energia possono raggiungere la Terra ma sono deflessi dai campi magnetici galattici e intergalattici I protoni ed i raggi gamma di alta energia vengono assorbiti dal fondo di microonde acceleratore cosmico I neutrini raggiungono la Terra viaggiando in linea retta e permettono di osservare direttamente la sorgente 15

16 I telescopi per neutrini Anche per osservare i neutrini cosmici di altissima energia è necessario preparare appositi rivelatori. E poichè le loro sorgenti sono molto distanti nell Universo, il loro flusso è debole ed è necessario preparare un apparato grande come un cubo avente un chilometro di spigolo! E possibile realizzare un rivelatore così grande? Si: nel mare, nei grandi laghi o nei ghiacci polari 16

17 I contendenti: Europa e Stati Uniti KM3 Mediterraneo Pylos BAIKAL DUMAND La Seyne Capo Passero ICECUBE 17

18 Il cielo visto dai telescopi per neutrini Quali sono le possibilità di un telescopio nel Mar Mediterraneo? Copertura del Cielo complementare ad ICECUBE Sovrapposizione parziale con ICECUBE Possibilità di studiare il centro della nostra Galassia 18

19 Le Collaborazioni NEMO- in KM3NeT Since countries 22 laboratories ~150 engineers, sea scientists, physicists. 19

20 Come si vedono i neutrini di altissima energia? Radiazione luminosa Cherenkov prodotta dal passaggio del muone Torri con sensori ottici Abissi Marini: Profondità 3500 metri 450 m Muone Connessione in fibra ottica da terra (circa 80 km) neutrino Il neutrino è una particella invisibile ma può interagire con un nucleo, in acqua 20

21 La funzione dell acqua Nei telescopi per neutrini l acqua svolge una triplice funzione bersaglio per il neutrino mezzo propagatore della luce Cherenkov schermo per la radiazione di bassa energia che arriva dalla superficie: m d acqua equivalgono a m di roccia (es. i Laboratori del Gran Sasso) raggi cosmici di bassa energia Superficie del mare 3500 m neutrino muone 21

22 I sensori di luce L intensità della luce prodotta dal muone è bassissima e sono necessari particolari sensori ottici (detti fotomoltiplicatori) per misurarla. 22

23 I sensori di luce La luce prodotta dal muone è bassissima e sono necessari particolari sensori ottici (detti fotomoltiplicatori) per misurarla. I fotomoltiplicatori convertono il segnale luminoso in segnale elettrico. Quest ultimo viene trattato elettronicamente e registrato fotone Volt elettrone Segnale elettrico fotomoltiplicatore vetro fotomoltiplicatore tempo vetro Per resistere alla grande pressione che esercitano m d acqua (300 atmosfere) è necessario alloggiare i fotomoltiplicatori all interno di apposite sfere di vetro che vengono, poi, sigillate. 23

24 Unità di rivelazione Optical Beacon: Timing calibration DAQ Slow Control 10 PMT 17 sfera di vetro Idrofono Posizionamento acustico Supporto in titanio 24

25 Operazioni in mare 25

26 Attività sottomarine 26

27 Cosa succede nel rivelatore? Simulation Muone Durata del segnale 2 µs 100 moduli attivi Decadimento 40 K 30 khz* Bioluminescenza Fondo continuo 30 khz* Bursts > MHz *PM 10, 0.3 p.e. threshold 27

28 La traccia del muone rivelato z (m) z (m) r (m) t (ns) 28

29 10 linee - atmosferici 29

30 Antares 1 linea 2006 Primi studi proprietà ambientali 5 linee Feb-Dic milioni di triggers su disco Analizzati 170 giorni di dati Buon accordo con il flusso dei muoni atmosferici Riconoscimento tracce neutrini up-going 10 linee Dic-Apr giorni di dati, > 300 neutrini identificati Analisi in corso, studio dei sistematici linee, Mag 2008 Rivelatore completato! 30

31 atmosferici 10 linee Dic 2007 Apr giorni effettivi Dati Cosq > candidati Preliminary 31

32 NEMO Fase-2: il sito di Capo Passero L anno scorso è iniziata la Fase-2 del progetto che prevede la realizzazione di un laboratorio sottomarino a -3500m atto ad ospitare il telescopio per neutrini NEMO-KM4 32

33 750 m La torre di NEMO NEMO sta sviluppando il prototipo di una torre sottomarina su cui verranno installati i fotomoltiplicatori. La torre, realizzata in alluminio marino e fibre tessili avrà le seguenti dimensioni: Altezza: compattata totale con sensori 10 m 750 m 600 m n. di piani 16 lunghezza 15 m spaziatura 40 m n. di sensori 64 33

34 Attività multidisciplinari idrofoni alloggiamento per electronica Click di capodogli On line monitoring of signal on shore Sismografo sottomarino 34

35 Attività genovesi Il gruppo di Genova sta adattando alla nuova profondità di Capo Passero una stringa di che verrà messa in mare assieme alla torre di NEMO Stiamo inoltre sviluppando un connettore sottomarino elettroottico 35

36 Attività genovesi Inoltre il gruppo di Genova sta sviluppando il prototipo di modulo ottico in grado di sfruttare la direzionalità della luce Cherenkov. E costituito da un nuovo fotomoltiplicatore ibrido realizzato dalla Hamamatsu e da un sistema di specchi altamente riflettenti. Permette di aumentare del 50% le prestazioni dei telescopio per neutrini di bassa energia (1 TeV) x R 36

37 Assemblaggio del Modulo Ottico direzionale STEP1: STEP2: STEP3: ASSEMBLING MATCHING THE FINAL STATE PMT THE and OMIRROR PMT / mirror system is layed down in the sphere A special support to match PMT and mirrors correctly Optical gel is prepared to match PMT/mirrors and pressure-resistant sphere The gel is filled into the Hamamatsu sphere with mu-metal 10 cage, 4 anode and is put inot a vacuum PMT chamber Mirrors with protection shielding waiting for the gel to polymerise. 37

38 INFN GENOVA: OM Test OM ready to be tested! Direction-sensitive OM has been tested at GENOVA-INFN facility with atmospheric muons. The 4 sectors Deploying OM into the water tank 38

39 INFN GENOVA: OM Test It can be rotated according to Euler angles CAMAC / NIM DATA ACQUISITION SYSTEM OM hit by Cherenkov light emitted by incoming muons TRIGGER PMTs OM in water tank q Signal samples acquired for different muon angles 39

40 Scala temporale del progetto Design Study Preparatory phase Costruzione Presa dati CDR TDR Fine fase prototipizzazione 42

41 Riassumendo... L avvio della astronomia con neutrini di altissima energia rappresenta un obiettivo di grande rilievo scientifico Un telescopio per neutrini è in fase di costruzione in Antartide (ICECUBE) mentre nel Mediterraneo la collaborazione ha realizzato un rivelatore in scala 1:10 I gruppi italiani partecipano attivamente al programma di ricerca e sviluppo per la realizzazione di un telescopio da 1 km 3 nel Mediterraneo (NEMO) L Italia ha candidato il sito a largo di Capo Passero per la installazione di questo nuovo strumento di ricerca la cui realizzazione consentirà importanti sviluppi nella tecnologia sottomarina e applicazioni in diversi settori scientifici. 43