G.Battistoni Neutrini Atmosferici

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1 Neutrini Atmosferici

2 Interazione dei cosmici in atmosfera Sciame adronico Cosmico primario Raggi cosmici secondari Sciame atmosferico

3 Il flusso di neutrini p In un regime in cui tutti i π decadono ν µ /ν e = 2 π Vero con ottima approssimazione per E ν < GeV µ e ν µ ν e ν µ

4 Approx. analitica per il calcolo del flusso dei n m dn ν γ 1 1 Eν Aπν AK ν de cos E cos E ν θ ν θ 1+ Bπν 1+ BK ν επ εk γ = 2.7 ε = 115GeV ε = 850GeV π K ν

5 il flusso di neutrini - 4 Soltanto il calcolo numerico e in grado di fornire una previsione quantitativa affidabile. Imporante considerare la geometria 3D della terra Incertezze importanti: - la conoscenza del flusso primario - il modello di produzione adronica Incertezze minori: - dettagli dell atmosfera - campo magnetico locale

6 Il flusso di neutrini Uno stesso rivelatore puo vedere neutrini a 4π prodotti su tutta l atmosfera terrestre Simmetria Up-down eccetto per gli effetti introdotti dal campo geomagnetico sui primari 1 < L/E < 10 5 km/gev

7 Il flusso di neutrini - 5

8 Lo spettro di ν atmosferici globale ν e Somma di neutrini + antineutrini ν µ Possibile E -2 spettro diffuso di orgine astrofisica Solar n Prompt ν Slope = 3.7

9 Classi di eventi di ν atmosferici Contenuti (ogni direzione) µ ν-induced µ (da sotto...) e (o µ) ν e (o ν µ ) ν µ

10 SK: separazione e/µ La discriminazione tra e e µ può essere fatta in base alla forma dell anello di luce Cherenkov: un elettrone emette luce fino a valori bassi del momento, dove lo scattering multiplo è importante e l anello è piuttosto largo. In caso di eventi con più di un anello (scattering inelastico con alto momento trasferito), si considera il tipo dell anello più energetico. Comunque, dato che queste interazioni implicano neutrini di alta energia, è molto probabile che siano neutrini muonici. Non è tuttavia in grado di misurare la carica del leptone.

11 Neutrini atmosferici: i risultati di SK L oservazione fatta è che per interazioni di ν e, vengono rispettate le considerazioni qualitative discusse predentemente. Per interazioni ν µ invece si riscontra un deficit per neutrini provenienti dal basso, ovvero quelli che hanno percorso una distanza maggiore dal punto di produzione a quello di osservazione. L ammontare di questo deficit dipende dall energia del neutrino. Questo comportamento può venire spiegato con un fenomeno di oscillazione, in cui però il non si tramuta in ν e (altrimenti vedremmo un eccesso di ν e ) ma in un altro sapore di neutrino. E<1330 GeV E>1330 GeV MC, no oscillazioni oscillazioni

12 Neutrini atmosferici: Super-Kamiokande ν e ~OK SGe MGe SGµ MGµ USµ UTµ Sub-GeV electrons Multi-GeV electrons Sub-GeV muons Multi-GeV muons Upward Stopping muons Upward Through-going muons ν oscillazioni prevalentemente ν µ ν τ (?) 41.4m 39m no osc. up down deficit di ν µ dal basso G.Battistoni

13 analisi di SK Dipendenza dal calcolo del flusso di neutrini Dipendenza dalle incertezze sulle sezioni d urto dei neutrini Una rianalisi dei dati eseguita da Super-Kamiokande utilizzando la distribuzione L/E degli eventi (non riproducibile al di fuori della collaborazione) suggerisce un valore diδm 2 : Δm 2 = ev 2 G.Battistoni

14 Neutrini atmosferici: SK La qualità dei dati permette di misurare direttamente la probabilità di oscillazione in funzione di L/E, usando per determinare L l angolo di arrivo del neutrino: Il grafico è stato ottenuto scartando i punti con maggiori incertezze su L/E: E<1 GeV L R( 1+cosθ ) cosθ~0 (dl/dθ grande) La presenza del minimo dell oscillazione permette di stimare Δm 2 con una precisione ragionevole. Con un livello di confidenza del 90% si ha ev 2 sin < Δm 2 2 2θ > 0.90 < ev 2

15 Modelli alternativi in via di esclusione Osservazione di un dip nella distribuzione L/E degli eventi Questa è una chiara indicazione in favore dell interpretazione oscillatoria dell anomalia dei neutrini atmosferici. oscillazioni decoerenza decadimento ciò ha permesso di escludere (almeno come effetto dominante ) possibili interpretazioni alternative all anomalia dei neutrini atmosferici quali: decoerenza decadimento: ν µ ν τ +Φ G.Battistoni

16 Neutrini atmosferici: calorimetri Misure su neutrini atmosferico possono essere effettuate anche con altri tipi di apparati sperimentali: calorimetri traccianti. Di solito la maggiore limitazione di questi esperimenti è la risoluzione angolare. Un esempio è l esperimento MACRO al Gran Sasso, costituito da sandwich di roccia come assorbitore, rivelatori a streamer per il tracciamento piani di scintillatori per la misura di tempo di volo (distinzione tra neutrini provenienti dall alto o dal basso)

17 Neutrini atmosferici: calorimetri Un altro esempio è l esperimento SOUDAN-2 negli stati uniti, costituito da camere a derive per un tracking di precisione. evento di e, con rinculo di un protone e sciame elettromagnetico evento di, con rinculo di un muone penetrante e sciame adronico

18 Neutrini atmosferici: calorimetri Questi esperimenti confermano tutti la scomparsa di neutrini muonici, seppure con una precisione sulla stima dei parametri inferiore rispetto a Super-Kamiokande. Ora si pone un problema simile a quello dei neutrini solari: possiamo fare una verifica dell ipotesi di oscillazione in un ambiente sperimentale diverso?