Visita ai Laboratori dell INFN Dicembre 2010 Laboratori Nazionali del Gran Sasso

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1 Visita ai Laboratori dell INFN Dicembre 2010 Laboratori Nazionali del Gran Sasso Gianrossano GIANNINI Fisica Nucleare e Subnucleare Dipartimento di Fisica Universita di Trieste e INFN/Trieste Via Valerio 2, Trieste, 34127, Italy (giannini@ts.infn.it)

2 Atomo Nucleo Nucleoni: protoni e neutroni, ADRONI = Fatti di quark: con legame nucleare forte] e Elettrone Adroni Fatti di quark Atomo 12 C (Ione Carbonio) = 6 protoni + 6 neutroni protone o neutrone Quark u o d

3 Modello Standard: e BOSONI Fotoni/W,Z, gluoni Portatori di Forza: Elettromagnetica/ Nucleare Debole, Nucleare Forte (G) Gravitazionale? FERMIONI Leptoni e quark Costituenti Della Materia

4 MODELLO STANDARD : Fermioni (Costituenti) e Bosoni (Mediatori) u i d i L ν i l i L l i R,d i R, u i R

5 Log 10 m/ev t t 1GeV 10 8 c s b Massa dei fermioni: Quark e Leptoni 1MeV 6 d u e 1 kev 1 ev Limite superiore m Massa=0? no R numero leptonico L conservato -2 1 mev ( m 2 sol) 1/2 ( m 2 atm) 1/2 KamLAND Massa >0? R pesante numero leptonico L non conservato

6 Oscillazioni dei Neutrini Idea della massa dei neutrini suggerita per la prima volta da Bruno Pontecorvo I Neutrini Interagiscono (Produzione o Rivelazione) come Autostati dell Interazione Debole e,, =Autostati dell Interazione Debole 1,, =Autostati di Massa (H Evoluzione t) I Neutrini si propagano (evolvono) come sovrapposizione di autostati di massa: MESCOLAMENTO

7 Mescolamento tra neutrini: p.es. due famiglie e = cos 1 + sin 2 = -sin 1 + cos 2 = mixing angle Angolo di mescolamento P 1 sin 2 2 sin m 2 E L Distanza percorsa L=ct (Km) Differenza di massa quadra m 2 = m 22 m 2 1 (ev 2 ) Energia del neutrino E (GeV)

8 Comparsa/Appearance Scomparsa/Desappearance

9 Esperimenti con Neutrini : 1) Sorgenti (Molto) Potenti 2)Apparati (Molto) Sensibili e (Molto) Massivi Sorgenti naturali: Sole, Supernovae, Raggi cosmici Sorgenti Artificiali: Acceleratori, Reattori Nucleari

10 Fisica Nucleare e Sunucleare Acceleratori Terrestri Astrofisica Nucleare e Sunucleare Acceleratori Cosmici Active Galactic Nuclei Binary Systems SuperNova Remnant LHC CERN, Geneva, 2005 Saturne, Saclay, 1964 Cyclotron Berkeley 1937 Energia delle particelle accelerate

11 Astrofisica Nucleare e Subnucleare ( Fisica Astroparticellare/Astrofisica Particellare ) Fisica Nucleare e Subnucleare ASTROFISICA NUCLEARE E SUBNUCLEARE Astronomia Astrofisica e Cosmologia

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13 Trieste Ancona Gran Sasso L Aquila Roma

14 Laboratori Nazionali del Gran Sasso Location: Gran Sasso Tunnel (Abruzzi, Italy) Depth: 1400 m (3800 mwe) Monte Aquila (m. 2600) Operating Institution: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) LNGS permanent staff: 60 (physicists, technicians, administration) Scientists involved in LNGS experiments: 700 from 24 countries Corno Grande (m. 2910) Underground lab LNGS Campo Imperatore (m. 2000) The area of Campo Imperatore above LNGS

15 CERN beam The LNGS Underground area Hall C Hall B Hall A Highway tunnel Underground area : 3 halls (100m x 20m x 15m) + service tunnels Total volume : m 3 Surface: > 6000 m 2

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17 LNGS

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20 Outside facilities: - offices - mechanical workshop - chemical lab - electronic workshop - computing center - library - canteen - conference rooms - assembly halls - administration department

21 Astronomia

22 VIA LATTEA: La nostra Galassia Lund Observatory COBE

23 Galassia simile alla Via Lattea Galassia Spirale NGC 628 Il sole sarebbe circa qui Gemini North

24 Astrofisica Struttura Stellare Pressione Termica Gravita Energia Nucleare Radiazione emessa dalla superficie

25 Nascita delle stelle

26 Evoluzione Stellare Sole in questa fase

27 Vita di una stella grande ( > 1,4 M ) Esplosione di Supernova (tipo II, Ib e Ic

28 Supernova Campo della supernova SN1987A Prima Dopo del 23 Feb Grande Nube di Magellano Anglo-Australian Telescope

29 Cassiopeia A Supernova esplosa circa 250 anni fa. Immagine Radio. NRAO Very Large Array

30 Cassiopeia A Supernova esplosa circa 250 anni fa. Immagine a Raggi-X Chandra X-ray Observatory of NASA

31 La nebulosa del Granchio (Crab Nebula) Supernova osservata dalla Cina nel 1054 Radio Infrarossi Ottico Raggi-X

32 Scale Astronomiche Gruppi di Galassie Galassie Stelle 150 Mpc 450 kpc 4.5 pc 1 pc (1 parsec ) = 3 anni luce

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34 Gruppi (Cluster) di galassie circa 50 volte le dimensioni della Via Lattea. Abell2218 Archi effetto di lente gravitazionale su immagine di galassie piu distanti. HST

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36 Cosmologia Espansione dell universo Edwin Hubble Velocita delle galassie proporzionale alla distanza: v= H r Mt. Wilson 100 Inch Telescope H ~ 70 km/sec / Mpc

37 Temperatura dell universo K T (K) ~ /t ½ (s) Equilibrio di n e p Poi Nucleosintesi Formazione degli atomi neutri e l universo diventa trasparente alla luce 3000 K Big Bang nuclei atomi tempo dopo il big bang

38 Nucleosintesi primordiale Deuterio = il primo passo necessario per la nucleosintesi Elio formato dal deuterio ( Poi difficile per problemi con masse da 5 e 8 nucleoni)

39 Produzione di altri elementi nelle Stelle Ciclo PP : stelle meno calde Ciclo CNO : stelle piu calde

40 avola periodica degli elementi ============ > Origine: Big Bang Nucleosintesi Stelle calde Esplosioni di Supernova Interazioni con raggi cosmici

41 Prima: Universo Opaco Dopo: Universo Trasparente

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43 Penzias e Wilson : Scoperta del Fondo Cosmico a Microonde (Cosmic Microwave Background= CMB)

44 -wall -rays x-rays UV Visible Radio CMB IR Cosmic Radiation TeV Cosmic-rays (by Halzen after Ressell & Turner 90) 2

45 Multi-Wavelength Photons Radio Ondes radio Radio télescope de Bonn Infrared Infra-rouge Satellite COBE Visible Lumière visible light Télescope du Mont Palomar Rayons X X-ray Satellite INTEGRAL Rayons Gamma gamma Ray? Satellite CGRO

46 Cosmic Microwave Background Radiation Microwaves: 31.5 GHz 53 GHz 90 GHz Temperature variations: 100 K K

47 (degrees) Cosmic Microwave Background temperature variation (degrees) Analyse angular distribution to see typical variation scale

48 Fluttuazioni di CMB

49 Rotazione delle Galassie radius, r velocity, v Gravity: G M(r) / r 2 = v 2 / r enclosed mass: M(r) = v 2 r / G Luminous stars only small fraction of mass of galaxy

50 effective magnitude brightness distance Espansione dalle Supernova Ia Acceleration of universe expansion non-linear v = H(t) d = critical critical= 3H 2 /8 G N redshift recession velocity

51 Composizione dell universo Materia = 1/3 Energia Oscura = 2/3 Materia normale: 5% Materia oscura: 30% Energia oscura: 65%

52 RAI-TG1, 21 Agosto Osservata la Materia Oscura: La Piu Diretta Misura della Materia Oscura Permette lo Studio della sua Natura August 21, 2006 Dark Matter Observed: Most Direct Measurement of Dark Matter Allows Study of its Nature -Press Release Neil Calder, Stanford Linear Accelerator Center: Stanford Linear Accelerator Center NASA Press Release Chandra Media Webstie View a visualization of the event (.mov /.avi)

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54 Raggi Cosmici Colhoster 9km Ascese su Pallone: Hess 5km Millikan scettico sui Raggi Cosmici

55 Raggi cosmici Macchie solari Anticorrelazione con i massimi del ciclo solare

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57 Composizione dei Raggi Cosmici PRIMARI: p ~ 87 %, ~10 %, N~1 % e ~2 % ~0.1 %, ~0.1 %? Alta atmosfera :~ 1000/m²/s I Raggi Cosmici Primari producono sciami di secondari in atmosfera A livello del mare :~ 100/m²/s SECONDARI al livello del mare ~ 30 % p, n,... ~ 2 % ~ 68 %

58 Spazio Pfozter ~ 20 km Livello del mare Flusso verticale di Raggi Cosmici vs. profondita nell atmosfera

59 -wall -rays x-rays UV Visible Radio CMB IR Cosmic Radiation TeV Cosmic-rays (by Halzen after Ressell & Turner 90) 2

60 The primary spectrum Possible Origins E < ev Galactic E -2.7 Spectrum < E< ev Extra-galactic? UHECR GZK cut < E < ev Unknown EECR < E< ev Unexpected

61 Acceleratori Cosmici: ( Hillas Plot) Crab Pulsar B E Z B L Z: Charge of particle B: Magnetic field L: Size of object : Lorentz factor of shock wave M87, AGN M87 GRB (artist) Centurus A 3C47 Vela SNR L

62 Interazione di Raggi Cosmici primari nell atmosfera

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65 Rivelatori di raggi cosmici Compton Gamma Ray Obs GeV BATSE Satellites top of atmosphere EGRET Ground based telescopes looking at light produced in atmosphere KASCADE p,n PeV Whipple >1 TeV ground level Array of particle detectors on ground Arrays of particle detectors

66 Sorgente Raggi Cosmici: Atmosferici Primary cosmic rays Proton, He atmosfera e e Flusso Simmetrico Alto/Bassoi

67 Flusso di

68 Simmetria Alto/Basso

69 SK: Zenith angle distribution SK:1289 days (79.3 kt y) No oscillation Best fit ( m 2 =2.4x10-3 ev 2, sin 2 2 =1.00) e e /e D a ta /e M C =

70 The MACRO experiment 1984 : Proposal 1987 : Construction starts 1989 : First Supermodule ON 4/1994 : Full detector ON 12/2000 : Rest In Peace

71 Neutrino event topologies in MACRO Up throughgoing In up Detector mass ~ 5.3 kton Absorber Streamer Scintillator Up stop In down 1) 2) 4) 3)

72 MACRO Upward throughgoing muons 1/ distribution: Atmospheric induced

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74 beam from CERN: OPERA ICARUS Fundamental physics VIP PRESENT EXPERIMENTS decay and rare events Cuoricino CUORE; GERDA Dark Matter DAMA/LIBRA; CRESST WARP; Xenon test Solar Luna Borexino from Supernovae LVD Borexino ICARUS

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76 XENON LISA HALL B HALL C MI R&D ICARUS Borexino HALL A BAM - OPERA LUNA2 LVD GERDA DAMA/LIBRA VIP WARP OPERA CRESST CUORE CUORICINO GENIUS-TF LOW ACTIVITY LAB

77 OPERA detector: 1.8 kton of Pb sheets and nuclear emulsions in the form of emulsion cloud chambers + 2 spectrometers (RPC and scintillating fibers) goal: detection of appearence from the beam from CERN technique: identification of the tracks from decay of the emitted by the interaction status: under construction; spectrometers completed detector should be completed in 2006, ready for the beam from CERN

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79 Cosmic rays induced events: Mostly down going Beam events: ~horizontal tracks NOW2006 LBL neutrino physics in Europe

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81 ICARUS detector: 600 t and later 3000 tons of liquid Ar operated as a large time projection chamber goal: detection of appearence from the beam from CERN detection of solar neutrinos technique: kinematic identification of the decay of the emitted by the interaction status: 600 t detector tested and ready to be installed at LNGS Installation of 3000 t requires major works at the underground infrastructure

82 ICARUS T600 General layout Dewar LAr (30 m 3 ) Dewar LN 2 (30 m 3 ) Installation in progress in Gran Sasso Hall B, commissioning after summer 2007

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84 LVD Large Volume Detector Running since billions in 20s from the SN core Measurement of neutrinos spectra and time evolution provides important information on physics and on SN evolution. Neutrino signal detectable from SN in our Galaxy or Magellanic Clouds 2-5 SN/century expected in our Galaxy. Plan for multidecennial observations 1000 tons liquid scintillator + layers of streamer tubes 300 from a SN in the center of Galaxy (8.5 kpc) Collab.: Italy, Brazil, Russia, USA, Japan SN1987A Early warning of neutrino burst important for astronomical observations with different messengers (photons, gravitational waves) SNEWS = Supernova Early Warning System LVD, SNO, SuperK in future: Kamland, BOREXINO

85 Dark matter search: DAMA ~100 kg NaI(Tl) high purity- ended 7/02 Annual modulation==> evidence for WIMPS Final analysis: total kg d (Riv. N. Cim. 26 n. 1 (2003) 1-73) Time (day) (P(A=0) = )... ora DAMA/LIBRA (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes) fitted (all parameters free): A = ( ) cpd/kg/kev ; t 0 = (140 22) d ; T = ( ) y New apparatus - installed ~250 kg more radiopure NaI(Tl) it will offer unique radiopurity, increased mass and deep control of the running parameters 6 NEW R&D for ultimate NaI(Tl) radiopurification started towards a possible 1 ton set-up DAMA proposed since 1996

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91 March 2, :12: inside of the SSS PC+PPO PC+DMP water Laura Perasso -Venezia,XII Neutrino Telescope, March 6, 2007

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93 Immagine Neutrinica del Sole (da SK) Direzione del Sole Fondo: Radioattivita cos sun Rapporto: osservati/attesi SSM ~ 0.5

94 Esperimento SNO (Canada) D 2 O

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97 Training visitors/year Outreach Alta Formazione visitors/year

98 Il Parco Nazionale del Gran Sasso e Monti della Laga, istituito nel giugno del 1995, e una delle aree protette più estese e preziose d Europa. Il Parco, con un area di circa ettari, si estende in tre regioni (Abruzzo, Marche e Lazio) e cinque province (L Aquila, Teramo, Ascoli Piceno, Pescara e Rieti). Comprende 44 comuni.

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