Esperimenti di fisica del neutrino (*) : risultati e prospettive

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1 Esperimenti di fisica del neutrino (*) : risultati e prospettive L era della precisione nella fisica del neutrino Esperimenti long baseline: MINOS, OPERA, ICARUS La rivoluzione di 13 : reattori e acceleratori Il prossimo obbiettivo: la gerarchia di massa Un nuovo protagonista: la misura di precisione di 23 La violazione di CP nel settore leptonico L era delle misure di precisione dei parametri di mixing e stata molto piu breve del previsto per... una serie di fortunate coincidenze Cosa è avvenuto esattamente? Quanto bene conosciamo oggi il mixing leptonico? Quale sarà il ruolo delle sorgenti artificiali di neutrini ora che il focus si è spostato sullo studio della massa assoluta e sulla violazione di CP? (*) soprattutto da sorgenti artificiali. V. Sezione II per le sorgenti naturali. F. Terranova Univ. di Milano-Bicocca e INFN Sez. di Milano-Bicocca

2 Fisica di precisione nel settore leptonico La scoperta delle oscillazioni di neutrino (SuperKamiokande, Macro, SNO, Kamland) Fisica di precisione al leading order (K2K, MINOS, CNGS, Borexino) La rivoluzione di 13 (DoubleChooz, RENO, Daya-bay, T2K) Misurare precisamente i parametri che dominano le oscillazioni dei neutrini atmosferici Testare in modo diretto il fenomeno delle oscillazioni con sorgenti controllate artificialmente

3 K. Lang [MINOS Nutel 2013 MINOS Anti-nu enriched beam (CPT test) Parametri leading misurati con precisione <5%

4 OPERA L unico esperimento in grado di osservare esplicitamente le oscillazioni n m n t in quanto: Il fascio di neutrini dal cern al gran sasso (CNGS) ha un energia molto superiore alla soglia cinematica di produzione del leptone tau Il rivelatore e equipaggiato con emulsioni nucleari per osservare il decadimento del tau evento per evento Ha un rapporto segnale fondo eccezionale (S/N 7-21 a secondo del canale di decadimento)

5 V. Talk di A. Di Crescenzo Evidenza di appearance del tau a 3.5 sigma. Combinato con analisi inclusiva di SuperKamiokande, evidenza >6 sigma.

6 LNGS primary vertex CNGS beam cathode Induction kaon Low energy electrons: σ(e)/e = 11% / E(MeV)+2% Electromagn. showers: σ(e)/e = 3% / E(GeV) Hadron showers: σ(e)/e 30% / E(GeV) Collection 3D reconstruction p K μ de/dx based PID Neutrino Telescopes, March

7 La misura di 13 : una ricerca durata 15 anni durata Un piccolo effetto subdominante rispetto alle oscillazioni n m n t alla scala degli atmosferici (1-10 GeV) Dal 2012 sappiamo che quest angolo non e affatto piccolo: è dell ordine dell angolo di Cabibbo! Questa scoperta ridefinisce completamente le strategie per la fisica dei neutrini agli acceleratori (v. e.g. Battiston, Mezzetto, Migliozzi, Terranova, Riv.Nuovo Cim. 033 (2010) 313)

8 La misura di 13 ai reattori nucleari Implementare la tecnica near-far così comune agli acceleratori anche per le misure di disappearance ai reattori nucleari: cancellazione delle sistematiche sui flussi Daya Bay (China) RENO (Korea) Double-Chooz (France)

9 L esperimento T2K

10 M. Wilking [T2K EPS 2013 Evidenza a 7 sigma del appearance del neutrino elettronico (T2K@EPS2013 con protons-on-target) Un interessante paradosso: la natura ha scelto 13 cosi grande che è più facile vedere l appearance di nuovi flavor con il canale subdominante n m n e piuttosto che con quello dominante n m n t (leptone tau difficile da osservare sperimentalmente)

11 M.C. Gonzales Garcia et al., NuFit 2013 and JHEP 12 (2012) 123 Il mixing leptonico nel 2013

12 La gerarchia di massa dei neutrini Un parametro cruciale per: capire se le relazioni tra massa e mixing seguono le stesse relazioni dei quark e di enorme importanza pratica per determinare la massa assoluta dei neutrini e comprendere se i neutrini sono particelle di Dirac o di Majorana Effetti di materia nelle oscillazioni Dm 23 2 Dm 13 2 Agli acceleratori: NOVA (US) Con gli atmosferici: INO (India) Ai reattori: JUNO (China)

13 Un approccio più aggressivo Nessuno di questi esperimenti ha sensibilità alla gerarchia di massa superiore a 3.5 sigma, anche con assunzioni ottimistiche sui parametri del rivelatore. Forse è necessario un approccio più aggressivo: un esperimento agli acceleratori di nuova generazione con sensibilita alla violazione di CP (giustifica il costo esorbitante O(1) GEuro) e ragionevole certezza (sensibilità a priori >5 s) di ottenere una misura conclusiva della gerarchia di massa PRO: Misura conclusiva Programma di fisica completo (CPV, mass hierarchy, octant ambiguity) CONTRO: Tempi lunghi (>2020) Rischio che la mass hierarchy nel frattempo venga misurata Costi altissimi Essenziale: baseline lunghe (>1500 km) per avere CPV e mass hierachy simultaneamente ma per CPV baseline relativamente corte sono altrettanto vantaggiose (Dusini, Longhin, Mezzetto, Patrizii, Sioli, Sirri, Terranova, Eur. Phys.J. C73 (2013) 2392) R. N. Cahn et al., arxiv:

14 La violazione di CP nel settore leptonico Osservabile attraverso i termini subdominanti delle oscillazioni n m n e (esse stesse subdominanti rispetto a n m n t ): un effetto sub-subleading nelle oscillazioni dei neutrini a energie >1 GeV. Anche questa misura è resa più facile dal valore elevato di 13 (maggiore statistica anche se il termine leading è CP independent) Richiede: Rivelatori molto massivi ( O(100 kton) di liquid argon o 1 Mton Water Cherenkov) ) combinati a fasci convenzionali ma di altissima intensità ( O(1 MW) ) oppure Nuove tecniche di accelerazione (Neutrino factories, Beta beam)

15 E lo stesso dilemma della gerarchia di massa... l uovo oggi o la gallina domani? Low energy Neutrino Factory Short baseline Superbeams Long baseline Superbeams 35 kton 10 kton I tempi forse non sono maturi per una decisione definitiva (studio dettagliato delle sistematiche) ma 13 grande è un incentivo enorme per l utilizzo delle tecnologie di accelerazione tradizionali ( Superbeams )

16 Conclusioni Dopo l epoca d oro della scoperta delle oscillazioni di neutrino ( ) ci si aspettava un lungo e quieto periodo di misure di precisione. In realtà le cose sono andate molto meglio del previsto Abbiamo evidenza empirica fortissima della comparsa di nuovi flavor sia nel canale n m n t sia in quello n m n e Conosciamo tutti i parametri delle oscillazioni con precisioni <10%. Fanno eccezione la fase di violazione di CP (ignota al momento) e quelle di Majorana (inaccessibili con le oscillazioni di neutrino) Non conosciamo la gerarchia di massa dei neutrini né la loro massa assoluta (che comunque e sicuramente <1 ev) Ancora una volta la natura è stata benevola con noi: 13 è molto grande (9 ). E una nuova, inattesa, rivoluzione nel nostro settore 13 grande rende la misura della gerarchia di massa a portata di mano anche se nessun esperimento a basso costo (<100 MEuro) e in grado di garantire una scoperta a 5 sigma tutte le condizioni che rendono osservabile la violazione di CP sono soddisfatte: tutti gli angoli di mixing sono 0 e Dm 12 2 / Dm /40 è sufficientemente grande) Non sappiamo ancora qual è la miglior tecnologia per osservare CPV ma è probabile che il primo vero esperimento di CP con neutrini sarà un Superbeam con un rivelatore molto massivo Ovviamente la fase di CP potrebbe essere troppo piccola per essere visibile ma... i neutrinisti sono molto fortunati e la fortuna aiuta gli audaci... You do the math

17 Un protagonista inatteso: 23 Conosciamo bene sin dalle misure di SuperK, MINOS e T2K (n m n m ) ma e difficile sapere se 23 e maggiore di 45 o minore ( octant ambiguity (*) ). Al momento abbiamo troppi parametri liberi: La gerarchia di massa: Dm 23 2 > 0 ( normal hierarchy ) e Dm 23 2 < 0 ( inverted hierarchy ) sono ugualmente probabili La fase di violazione di CP completamente ignota L octant ambiguity (quadrante di 23 ) Quali di questi parametri potrà essere determinato più rapidamente? (*) G. Fogli, E. Lisi, Phys.Rev.D54 (1996) 3667 V. Barger et al., Phys.Rev. D65 (2002)

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