Oscillazioni di neutrini con sorgenti artificiali

Transcript

1 Oscillazioni di neutrini con sorgenti artificiali Maximiliano Sioli Università e INFN di Bologna IFAE 006, Pavia

2 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia Sommario Tipologia di sorgente da acceleratore da reattore Esperimenti di prima generazione CHOOZ, LSND, KamLand,, KK Esperimenti di seconda generazione CNGS, NuMI-MINOS MINOS, MiniBooNE Futuro prossimo (Phase I) (TK, NOvA, DoubleChooz) Futuro lontano (Phase II) > 015 (βb, SuperB) > 00 (nufact) Conclusioni breve cenno

3 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 3 Quadro storico Esiste una forte evidenza di oscillazioni di sapore per i neutrini solari (Homestake( Homestake SNO) atmosferici (IMB SK, MACRO, Soudan) reattore (KamLand( KamLand) acceleratori (LSND?, KK, MINOS) Fenomeno di enorme impatto: misurare parametri fondamentali dello SM primi passi oltre la scala EW (see-saw) saw) astrofisica e cosmologia CPV nel settore leptonico

4 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 4 Formalismo delle oscillazioni Oscillazioni dei neutrini = fenomeno molto sensibile a masse non nulle dei neutrini (tipico fenomeno di interferometria quantistica) ν CKM-like f >= ΣUfm νm > ν ν ν e μ τ 1 = 0 0 c 0 3 s 3 s c Atmosferici P(ν μ ν μ ) Δm 3 =(.5±0.4)10-3 ev 0.9<sin θ 3 <1 c13 0 s13e iδ s 13 Chooz & PV sin (θ 13 )<0.1 c e 0 iδ 13 c s s c ν 0 ν 1 ν Solari+KAMLAND P(ν e ν x ) Δm 1 =(8±0.5)10-5 ev 0.<sin θ 1 < x Major. phase Formalmente, il fenomeno è descritto da 3 angoli + 1 fase CP + differenze di massa Δm (con segno)

5 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 5 Sorgenti artificiali: acceleratori Creazione di secondari alla targhetta: eg: pn nπ ± + X Fuocheggiamento e decadimento dei secondari: eg: π + μ + ν μ Fenomeno da studiare: ν α ν β Interazione nel rivelatore: CC: ν α N l α X NC: ν α N ν α X Misura nel rivelatore efficienze, accettanze... m m π,k μ Eπ,K Eν = m π,k (1+ γ θ )

6 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 6 a banda larga (WBB) I fasci convenzionali a banda stretta (NBB) possono essere: Off-Axis (OAB) P>1MW SuperBeam (SB) Target Horns Decay Pipe θ E π m = m π,k μ Eπ,K Eν m π,k (1+ γ θ ) E ν

7 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 7 Sorgenti artificiali: reattori I reattori sono sorgenti molto intense di anti-ν e provenienti dal decadimento β dei frammenti di fissione In ogni fissione, si liberano circa 00 MeV di energia e si generano in media 6 ν.. Il flusso è circa x10 0 anti-ν e /s/gw (una centrale media ha una potenza di ~3GW x10 0 anti-ν e /s,,, Eν e ~0.5 MeV con flusso isotropo) Il flusso osservabile è la convoluzione del flusso e della sezione d urtod Il processo fisico per l osservazionel è il β inverso (soglia 1.8 MeV): ν e p e + n τ=180μs n p d γ (. MeV) (spesso si dopa con in Gd maggiore sezione d urto d e riduzione del fondo) Fondi principali: coincidenze casuali di segnali electron like e neutron like neutroni da spallazione dei cosmici (di solito si misura a reactor off

8 Chooz Primo esperimento LBL ( ) Ardenne, Francia Rivelatore omogeneo 5 ton di scintillatore liquido, dopato con 0.09% Gd ν e p e + n τ=30μs n Gd γ s (8.1 MeV) copertura di 300 m.w.e. reattori, potenza tot=8.5 GW, con baselines rispettivamente 1115 m and 998 m, L/E~330 km/gev Rate atteso: segnale ~5 evts/day, bg (reattore off) 1. evts/day 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 8

9 E ν =E e +1.8MeV 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 9 Risultati di Chooz (& Palo Verde, Arizona) Nessuna evidenza di oscillazione per anti-ν e P( ν e ν e) = sin θ13 sin (1.7Δm13L / Eν ) ν μ ν e escluso come meccanismo dominante di oscillazione per i ν atmosferici sin θ 13 < 0.1 at 90% CL Presa dati terminata quando err. stat = err. syst: conoscenza del flusso.7% in Double Chooz le sistematiche saranno ~0.6%

10 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 10 LSND ( ) 1998) LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) π + /π 167 tons CH 10 PMT s Active Veto Shield Target ν μ,ν μ, ν e, ν e protoni di energia cinetica 800 MeV μ + /μ Cu Beam Dump CH L = 30 meters <10-3

11 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 11 LSND - risultati Segnale = e + con energia compresa tra 0 e 00 MeV e correlazione in spazio e tempo con la cattura neutronica N(beam on)-n(beam off) = ±.4 eventi fondo da μ - DAR = 19.5 ± 3.9 fondo da π - DIF = 10.5 ± 4.6 Eccesso di anti-ν e = 87.9 ±.4 (stat) ± 6 (sys) Evidenza per oscillazioni anti-ν μ anti-ν e P(osc) = (0.64 ± ± 0.045)x10 -

12 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 1 Scenario estremamente complicato dal claim di LSND Con 3 neutrini attivi, solo due Δm possibili; infatti: Ma Δm 1 + Δm 3 + Δm 31 =0 Δm sol + Δm atm Δm LSND e dunque, se il claim di LSND venisse confermato, bisognerebbe introdurre un 4 neutrino che non si accoppia con la Z 0 sterile

13 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 13 MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment - FNAL) Esperimento di appearance per alti valori di Δm Obiettivo principale: confermare/smentire il risultato di LSND nella stessa regione di parametri ma con metodi sperimentali differenti Energia del fascio ~ 10 x LSND ~ 500 MeV Baseline ~ 10 x LSND ~ 540 m Programma di lavoro: I fase: ν μ ν e II fase: ν μ ν e se LSND confermato nuova misura con nuovo rivelatore ad L diverso

14 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 14 LSND vs MiniBooNE LSND MiniBooNE Energia dei ν ~40 MeV ~800 MeV Base 30 m 540 m Processo β inverso ν e CC QE Tecnica Fondo Doppia coincidenza (e + + n ritardato) decad. di π - Cerenkov+Scint Decad di π,k primari, π 0 da NC S/B ~88/30 ~300/800

15 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 15 MiniBooNE il fascio Polarità invertibile Protoni di 8 GeV dal Booster di FNAL p+be producono π + π + decadendo originano ν μ Fondo irriducibile: 0.5 % ν e decadimento dei μ + decadimento dei K tramite K e3 Fondo riducibile: decadimento dei π 0 prodotti in interazioni NC

16 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 16 MiniBooNE il rivelatore 800 ton di olio minerale come targhetta sfera di raggio 6 m Barriera ottica a 575 cm: volume interno=180 PM veto esterno=40 PM Rivela i neutrini con luce Cerenkov e segnale ritardato degli scintillatori

17 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 17 Spettro ricostruito dei QE Finora raccolti circa nu-inter. Attesi circa 500k eventi CC 70k eventi NC

18 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 18 Sensilibità Contributi attesi per 10 1 pot

19 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 19 KK (KEK to Kamioka) Primo esperimento LBL da acceleratore Obiettivo principale: studiare le oscillazioni sia in termini di deficit di eventi, sia in termini di distorsione dello spettro energetico Fascio: Neutrini dal PS di KEK, 6x10 1 protoni/. s, protoni di 1 GeV su Al, 98% ν μ, 1% ν e,, Eν μ ~1.3 GeV ( E(maxosc) ) = 0.6 GeV ) Near detectors: 1 kton Cerenkov H O (5 ton di volume fiduciale) SciBar (scintillatore)) + Lead Glass + Muon Range (Fe) Far detector: Super-K, 50 () kton di H O, L=50 km baseline, L/E~atmosferici (Δm >10-3 ev ) 39.3 m SK 41.4 m PMT ν μ

20 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 0 KK: statistica raccolta Obs Pred 1) N. eventi nel Cerenkov ND Normalizzazione assoluta ) Combinazione di Cerenkov ND + MRD + SciBar Spettro 3) Far/Near ratio col Monte Carlo 4) Spettro predetto nel FD

21 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 1 KK: risultati (ν μ ν τ ) Best fit: sin θ 3 =1.19±0.3 Δm =(.55±0.40)x10-3 ev Best fit nella sin θ 3 =1.0 Δm =(.76±0.36)x10-3 ev regione fisica (149.7 expected) Confronto della forma degli spettri (distribuzioni scalate ai dati) Compatibile con Δm 3 atmosferico

22 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia KK: risultati (ν μ ν e ) Studio di interazioni CC QE ν e +p e - +n Fondo: componente ν e del fascio decadimento dei π 0 da NC studio in massa invariante del sistema γγ Risultati: 1 evento osservato 1.63 eventi attesi

23 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 3 KamLAND Obiettivo principale: studiare le oscillazioni solari con un esperimento terrestre 1000 t di scintillatore liquido viste da 1889 PMTs KamLand vede gli ν e prodotti dai reattori di 5 centrali distanti da 130 a 0 km (<L>~180 km) NB: sistematico legato al flusso e allo spettro: ~.1% e ~.5% rispett. E ν ~4 MeV Δm ~10-5 ev Altre sorgenti: geoneutrini, solari dal 7 Be ν e +p e + +n n+p d+γ (. MeV) Selezione del segnale.6 MeV< E prompt <8.5 MeV 1.8 MeV< E delayed <.6 MeV ΔR<m 0.5 μs<δt<1000 μs

24 Risultati MSW verificato indirettamente! Osservati 58 Aspettati 365. ± 3.7 Fondo 17.8 ± 7.3 Scomparsa al % CL Fondo principale proveniente dalla reazione 13 C(α,n) 16 O α dal decadimento del 10 Po in equilibrio col Rn Disaccordo tra dati e spettro non oscillato = 99.6% CL 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 4

25 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 5 Distorsione dello spettro in accordo con quanto previsto dal fenomeno delle oscillazioni P( ν e ν e ) = 1 sin θ 1 sin 1.7Δm 1 L E Solo KamLand Δm tan Δm tan = θ = 0.46 = KamLand + solari θ = ev ev

26 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 6 MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) Protoni di 10 GeV dal Main Injector del Fermilab Baseline di 73 km rivelatori identici (a parte massa e dimensioni): 1 near detector al FNAL per misurare spettro e composizione del fascio 1 far detector (sotterraneo) nella miniera di Soudan,, nel Minnesota 735 km

27 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 7 MINOS SK (ν atmosferici) Obiettivi fisici: verificare l ipotesi l di oscillazione mediante scomparsa di ν μ e confrontarla con ipotesi esotiche (decadimento del ν, decoerenza, ν sterili...) migliorare la misura di Δm e sin θ atmosferici (errore sotto il ~10%) ricerca nel canale sub-dominante ν μ ν e test su CPT (invertendo la polarità del fascio)

28 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 8 Esempio di misura di scomparsa con MINOS P( ν μ ν μ ) = 1 sin θsin (1.67Δm L / E) 1 spettro ν μ oscillato/non-oscillato rapporto Monte Carlo Unoscillated Monte Carlo Oscillated 1

29 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 9 Sensibilità attesa ν μ disappearance ν μ ν e Δm = ev Intensità nominale attesa: 1x10 0 pot per il 009

30 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 30 Il fascio NuMI Caratteristiche tecniche: Spill di durata fino a 10 μs; 1.9 s cycle time 4x10 13 protons/pulse Potenza 0.4 MW Single turn extraction (10ms) Distanza bersaglio-horn movibile per cambiare lo spettro in modo continuo Composizione del fascio nella configurazione LE: 9 % ν μ 6.5% ν μ 1.5% ν e +ν e

31 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 31 I rivelatori di MINOS Near Detector Far Detector Massa = 980 ton, 100 m u.s.l. Dimensioni = 3.8 m x 4.8 m x 15 m 8 piani di ferro magnetizzato di scintillatori Massa = 5400 ton, 710 m u.s.l. Dimensioni = 8 m x 8 m x 30 m 484 piani di ferro magnetizzato/scintillatori Veto studiare/rigettare cosmici Campo magnetico B = 1. T Sicronizzazione ND-FD mediante time-stamping del sistema GPS DAQ continua per il FD (solo durante lo spill per il ND)

32 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 3 Spettro ricostruito nel ND LE-10 pme phe Rapporto Data/MC LE-10 pme phe

33 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 33 Estrapolazione dello spettro non-oscillato oscillato nel FD I dati del ND vengono direttamente utilizzati per predirre lo spettro nel FD riduzione delle sistematiche connesse con la sezione d urto e modellamento del fascio MC usato solo per l accettanza e per correggere lo smearing dell energia energia Lo spettro energetico nel FD viene predetto utilizzando la cinematica del decadimento dei pioni includendo la geometria della beamline. target π + (stiff) to far Detector π + (soft) θ n θ f 1 1 Decay Pipe 0.43E Flux π Eν = L 1+ γ θ 1+ γ θ ND

34 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 34 Metodo usato per l estrapolazione ND FD: Beam Matrix a) b) c) E E E Reconstructed Near CC-like True Near CC True Far CC E E E True Far CC True Near CC Reconstructed Far CC-like

35 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 35 Spettro predetto al FD E True Far CC Nominal MC NB: spettro predetto sistematicamente sopra il nominale

36 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 36 Risultati in termini di numero di eventi attesi e osservati Data sample All CC-like events (ν μ +ν μ ) observed expected ratio significance 04 98± σ ν μ only (<30 GeV) ± σ ν μ only (<10 GeV) 9 177± σ

37 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 37 Risultati in termini di spettro energetico Δm sin 3 θ = = 0.88 ( stat) ± 0.1( syst) ( stat) ± 0.06( syst) 3 ev χ ( Δm,sin θ ) = nbins i= 1 ( e o ) + o i i i ln( o / e ) i i χ ( Δm,sin θ ) = nbins i= 1 ( e i o i ) + o i ln( o i / e ) i

38 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 38 Rapporto dati/mc Data Best-fit

39 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 39 Il fascio CNGS (CERN to LNGS) N τ = CC ν N A M D φ ( E) P ( E) σ ( E) ε ( E) de ν μ ν ν μ τ τ Caratteristiche del fascio L <Eν μ > 73 km 17 GeV L/ <Eν μ > 43 km/gev (ν e +ν e )/ν μ 0.87% ν μ / ν μ.1% ν τ prompt trascurabile Off peak Event rate per OPERA (a /anno, 00 giorni/anno): 600 ν μ CC+NC/anno, 19 ν τ 10-3 ev Distribuzione radiale ai LNGS

40 400 GeV protons 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 40

41 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 41 I Laboratori LNGS (Italia, 900 m a.s.l.) CNGS ν Lab esterni Lab Underground 1400 m di roccia sovrastante: cosmici ridotti di un fattore 10 6 rispetto alla superficie. Bassa radioattività ambientale

42 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 4 OPERA Oscillation Project with Emulsion tracking Apparatus Obiettivo primario: osservazione diretta del leptone τ prodotto in interazioni ν τ CC ν τ τ decay kink τ ~ 0.6 mm Risoluzioni dell ordine di O(1 mm) N τ = CC ν N A M D φ ( E) P ( E, Δm ) σ ( E) ε ( E) de ν μ ν ν μ τ τ Massa dell ordine di O(1 kton) per Δm =O(10-3 ev ) ECC (Emusion Cloud Chamber)

43 Emulsion Cloud Chamber 1 mm ECC sequenza di fogli Pb/emulsione ν τ Pb: : massa Emulsion: tracking 8 cm Pb 1.5 cm Permette di avere grandi masse in strutture modulari l unità di base ECC èil BRICK 8.3 kg Sequenza di 56 fogli di Pb + 56 fogli di emulsione (10X 0 ok per misure di p e pid) 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 43

44 Layout generale del rivelatore Layout generale del rivelatore Rivelarore ibrido (elettronica + emulsioni) con struttura modulare: supermoduli = *(31 walls + 1 spettrometro) 31 walls = 31*(56*64 bricks + 1 scintillator tracker plane) Massa totale = 1766 tons, # di bricks = /04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 44

45 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 45 Oscillazioni ν ν : μ τ segnale atteso signal (Δm =1.9x10-3 ev ) signal (Δm =.4 x10-3 ev ) signal (Δm =3.0x10-3 ev ) BKGD OPERA 1.8 kton fiducial brick finding + 3 prong decay Background reduction Full mixing, 5 anni di running, 4.5x10 19 pot/anno

46 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 46 ν μ ν τ discovery potential Probabilita di osservare, in 5 anni, un segnale distante 4σ dal fondo Riduzione del fondo del ~30% Fondo dimezzato Nominale SK 90%

47 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 47 Se venisse confermata l ipotesi nulla?

48 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 48 OPERA ed il canale ν μ ν e Buona eid capability possibile analisi ν μ ν e Fondi principali: ν e del fascio (contributo dominante) π 0 misidentificati in ν NC μ o ν CC μ con il muone non identificato τ e dalle oscillazioni ν μ ν τ sin θ 13 0,16 0,14 0,1 0,1 0,08 0,06 0,04 0,0 0 Pot (x10 19 ) 4,5 6, ,5 19 0,3 7 33,8 0,134 0,11 0,095 0,078 0,067 0,06 0,056 0,05

49 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 49 Phase I e misura di θ13 Acceleratori P( ν e ν e) = sin θ13 sin (1.7Δm13L / Eν ) Reattori

50 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 50 TK (Tokay to Kamioka) Ricerca di apparizione di ν e in un NNB OA ν μ <E ν > ~ 750 MeV L ~ 300 Km 0 kton, 0.75 MW (prima fase) Approvato: presa dati a partire dal 009

51 TK: near detector Fine grained scintilater detector ν beam Water Cherenkov detector Muon detector 8m 8m 15.m Fid. Mass : 100ton 5m Total mass : 1000ton p π ν 0m 140m 80m km 95 km μ ν ν 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 51

52 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 5 NOνA NuMI Off-Axis ν e Appearance experiment 30 kton, 14 mrad OA, <Eν>~.GeV, previsto per il 010

53 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 53 Evoluzione del limite di sin θ entro 13 la Phase I

54 Evoluzione per gli altri parametri Double CHOOZ Numi off-axis CNGS: opera icarus Numi/minos JPARC-ν I (TK) δ(δm 3 ): % 10% 4% SK-KK Minos/CNGS TK/Nova δ(sin θ 3 ) 10% 1% SK-KK TK/ Nova 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 54

55 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 55 Phase II e completa risoluzione delle degenerazioni Strategia giapponese: : se TK-I I ha successo (θ 13 > o -3 o ), intensificare il fascio e costruire 1 Mton water Č: : THK Il modo migliore per ripulire il fascio dalle contaminazioni intrinseche è quello di accumulare i parenti dei neutrini Beta Beam = ioni radioattivi (e.g. 6 He, 18 Ne) che decadono β in sezioni rettilinee di anelli di accumulazione vantaggi: fasci di ν e estremamente puri svantaggi: bassa energia (~100 MeV) basse sezioni d urto al rivelatore bassi γ e dunque piccole baseline no effetti materia Neutrino Factories = decadimento di muoni

56 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 56 Possibili scenari europei Sfruttare il complesso del CERN per costruire un βb. Studiare ν e ν μ con un Mton water Frejus molti soldi Upgrade di LHC (Super-SPS) SPS) maggiore energia maggiore baseline (e.g. CERN-LNGS) se E>1 GeV, possibile calorimetro di ferro (riempiendo al limite le sale dei LNGS)

57 19/04/006 Maximiliano Sioli - IFAE 006, Pavia 57 Conclusioni Le oscillazioni di neutrini sono state scoperte studiando sorgenti naturali In una prima fase, compresa quella attuale,, le sorgenti artificiali sono utilizzate a livello di conferma Non appena lasceremo alle spalle la discovery phase,, le sorgenti artificiali saranno indispensabili per completare la conoscenza del settore leptonico