Rivelatori per Neutrini

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1 Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 D Ambrosio N.

2 Neutrini Solari GALLEX GNO GNO Kamiokande SNO SNO SuperKamiokande Neutrini Atmosferici Kamiokande SuperKamiokande Neutrini LongBaseLine K2K K2K MINOS ICARUS OPERA OPERA T2K T2K Neutrini da dasupernova Neutrini da dareattore Kamiokande Super-Kamiokande KamLAND

3 Gallex / GNO Neutrini Solari Rivelatore al al Gallio Gallio Bassa Bassa energia < < Mev Mev Rivelatore ad ad acqua acqua pesante SNO Neutrini Solari

4 Neutrini solari (ν e ) Meccanismi di produzione Spettro energetico Tecniche sperimentali: Esperimenti radiochimici: Davis, Sage, Gallex Rivelatori Cherenkov:SuperKamiokande, SNO

5 Neutrini solari (ν e ): esperimenti radiochimici. GranSasso Soglia: 233 KeV Possibilità di rilevare neutrini a bassa energia usando la fusione p-p 30.3 T di gallio, soluzione concentrata di GaCl 3 -HCl 71 Ga + ν e -> 71 Ge + e- Si conta il numero di atomi di 71 Ge utilizzando il loro decadimento radioattivo

6 Gallex-Sage results

7 Neutrini solari (νe): SNO Sudbury Neutrino Observatory (Creighton mine, Canada) 1000 T D 2 O (Acqua pesante) 12 m diametro contenitore acrilico cmpmts (~60% photocathode coverage) 1700 T inner shielding H 2 O 5300 T outer shielding H 2 O Urylon liner radon seal Profondità: 2092 m

8 Sudbury Neutrino Observatory

9 CC ν e Neutrino Reactions in SNO + d p + p + e -good measurement of ν e energy spectrum ν e only NC ν + d p + n + x ν x - equal cross section for all active ν flavors + e ES ν e νx + x - low statistics - mainly sensitive to ν e, some ν µ and ν τ - strong directional sensitivity

10 Neutrini da reattore:kamland

11 KamLAND Kamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector 1000 m in profondità (miniera di Kamioka, Giappone) 1 KTon di scintillatore fast PMTs large area PMTs 34% photocathode coverage H2O Cerenkov veto counter

12 Neutrini da reattore: KamLAND I reattori Nucleari sono una sorgente molto intensa di ν e derivanti dal decadimento beta dei neutroni Cerca Cerca il il deficit deficit di di ν e e e la la distorsione dello dello spettro di di energia alla alla distanza L ν e + p reazione β inversa e + + n τ 200µs p + n d + γ (2.2 MeV) Gli eventi vengono segnati dalla coincidenza in tempo, spazio ed energia della cattura del neutrone

13 KamLAND Sul grafico è riportata la distribuzione L 0 /E (L km) nei casi di : Decadimento del neutrino Decoerenza del neutrino Oscillazione del neutino

14 Super-Kamiokande Neutrini Atmosferici e Solari Rivelatore ad ad acqua acqua Effetto Cerenkov Fascio Fascio di di neutrini da da acceleratore (Eν (Eν = = 1,3 1,3 Gev) Gev) K2K KEK -> -> Super-Kamiokande Neutrini Long BaseLine T2K J-PARK-> Super-Kamiokande Neutrini Long BaseLine Fascio Fascio di di neutrini da da acceleratore (Eν (Eν ν = 0,7 0,7 Gev) Gev)

15 Neutrini Atmosferici

16 SuperKAMIOKANDE 1000 m in profondità (miniera di Kamioka) 50,000 T di acqua pura (Fid. Mass is 22,500 T) 11,146 (50cm φ PMT) : Rivelatore Interno 40% photo-cathode coverage 1,885 (20cm φ PMT) : Rivelatore esterno Il rivelatore esterno è utilizzato per poter identificare i muoni provenienti dall esterno ed anche per schermare il rivelatore interno dai raggi gamma e neutroni provenienti dalla roccia

17 Luce Cerenkov β > β v c 1 n Se le particelle si muovono più veloci della luce in quel mezzo, emettono una shock wave di luce θ 1 = cos (1/ n( λ c )) p threshold = n m 2 1 Per l acqua, n( nm)~ Angolo di soglia: 42 o

18 Indentificazione delle particelle Effetto Cerenkov electron ν Photomultiplier tube (PMT)

19 Eventi da Neutrino atmosferico SK FC (fully contained) PC (partially contained) ν ν Both CC ν e and ν µ Need particle identification to separate ν e and ν µ ~12000 events (Super- K) ~ CC ν µ ~900 events (Super- K) Upward going muon ~ CC ν µ ~1900 events (through, SK) ~420 events (stopping, SK) ν

20 Single Cherenkov ring electron-like event Super-Kamiokande Run 3013 Event :19:39:51 Inner: 1763 hits, 4003 pe Outer: 3 hits, 5 pe (in-time) Trigger ID: 0x03 D wall: cm FC e-like, p = MeV/c Time(ns) < >1028 Esempi di eventi Single Cherenkov ring muonlike event amiokande vent :30 hits, 7763 pe, 4 pe (in-time) x03 cm p = MeV/c Outer detector (no signal) Color: timing Size: pulse height Times (ns) Times (ns)

21 K2K Conferma del fenomeno delle oscillazioni osservato con i neutrini atmosferici (SK) Misura più precisa dei parametri dell oscillazione ( m 2, sin 2 2θ) Fascio di ν µ Spettro di energia simile a quello dei neutrini atmosferici Long Baseline (250 Km)

22 K2k Near detectors 1KT Acqua Rivelatore Cerenkov Fibre Scintillanti/Acqua Rivelatore (SciFi) Muon Range Detector (MRD) L analisi dei dati ha confermato il deficit precedentemente misurato: 108 eventi misurati 150(+11,6, -10,0) eventi attesi Spettro di energia compatibile (deviazioni significative tra near e far detector) L analisi combinata con i dati del near detector dà una probabilità di 10-4 che ciò dipenda da fluattuazioni statistiche

23 T2K Tokai to Kamioka 250km K2K T2K JAER I Realizzazione del nuovo acceleratore per protoni da 50 Gev (J-PARK) Sarà possibile ottenere un fattore 100 di incremento nel rate degli eventi

24 Sommario: Super-Kamiokande, K2K, T2K I dati sul neutrino atmosferico di SK sono spiegati con l oscillazione ν µ ν τ, with: m 2 = ev 2 sin 2 2θ > 0.90 (SK L/E analysis) Recentemente l analisi l di L/E ha mostrato evidenza di un segnale di oscillazione Nessuna evidenza di oscillazioni ν µ ν e : da investigare K2K ha confermato le oscillazioni del neutrino usando un fascio da acceleratore. I risultai di SK e K2K sono in buon accordo T2K partirà nel 2009 è permetterà di indagare più a fondo il fenomeno

25 Oscillazione dei Neutrini Esperimenti Long Base Line Numi-MINOS CNGS : OPERA/ICARUS

26 ICARUS Imaging Cosmic and Rare Underground Signals Programma di Fisica: Neutrini Solari, Atmosferici e da Supernova Esperimento Long Baseline ricerca diretta di ν µ -> ν τ e ν µ -> ν e Ricerca del decadimento del protone

27 ICARUS Rivelatore ad Argon Liquido: Ionizing Track light Densità 1.4 g/cm 3 Lunghezza di radiazione 14 cm Lung. di interazione 80 cm de/dx(mip) = 2.1 MeV/cm 1 bar Circa coppie electrone-ione prodotte per mm (mip track) La luce emessa dà il t 0 Drifting e - Induction Plane I Solo gli elettroni contribuiscono al segnale osservato, poichè la loro mobilità è maggiore di quella degli ioni Con Argon puro -> drift degli elettroni su distanze macroscopiche Induction Plane II Bersaglio e rivelatore allo stesso tempo

28 ICARUS Camera a Bolle Elettronica X,Y, time

29 ICARUS CNGS : ν µ ν τ oscillations Reazione primaria: ν τ + Ar -> τ + jet τ eνν µνν h - ν h 0 ν h - h + h - n h 0 ν CNGS : ν µ ν e oscillations Reazione primaria: ν e + Ar -> e - + jet

30 ICARUS T Muon Spectrometer Una Seconda-Generazione di esperimento per ricerca del decadimento del protone e un osservatorio per Neutrini al Laboratorio del Gran Sasso

31 OPERA Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus Ricerca di oscillazioni di neutrino n m n t mediante osservazione diretta dell apparizione del ν τ in un fascio puro di ν µ ν µ.. ν τ τ - + X oscillazione interazione CC Quadro sperimentale (neutrini atmosferici) ν τ τ ~ 0.6 mm 68% 95% 99% Per rilevare il decadimento del τ è necessaria una τ : risoluzione micrometrica µ ν τ ν µ (18%) e ν τ ν e (18%) Kink h ν τ n π ο (50%) π + π π ν τ nπ ο (14%) Multiprong Long baseline: 732 km 90% 68% 95% 99% Cern Neutrino beam to Gran Sasso

32 Il rivelatore OPERA Rivelatore IBRIDO (elettronica + bersaglio Pb/emulsioni): 2 supermoduli Massa rivelatore 1766 Ton. 2 Spettrometri a Magnete con RPC & Drift tubes 2 x [31 Target Tracker and Target Walls] Basato 206,336 ECC bricks (Pb( Pb/Emulsione) Basato sul sul concetto del del 12 Mil.. di fogli di emulsione Emulsion Cloud Cloud Chamber (ECC) (ECC) Sala C dei LNGS

33 Target Trackers Pb/Em. target µ spectrometer Basato Basato sul sul concetto del del Emulsion Cloud Cloud Chamber (ECC) (ECC) OPERA in Run ν Unità Unità di di base base il il Brick Brick 1 mm 8 m Pb/Em. BRICK ν τ τ Lead Estrazione del Brick selezionato Rivelatore Elettronico Seleziona il Brick dell interazione 8 cm EMULSIONE (42 micron) Analisi delle Emulsioni Ricerca del vertice Ricerca del decadimento

34 Analisi delle Emulsioni : Microscopi automatizzati Standardized Optics (Nikon) and Mechanics (Micos( Micos) CMOS CMOS camera up to 500 fps State-of of-art Image processor (Matrox Odyssey) and PCI-X workstation New asyncronous DAQ software Grani ESS: European scanning system frame (analogo sistema sviluppato in Giappone) D Ambrosio N., Nucl. Instr. and Meth A 525 (2004) µm Attuali prestazioni del ESS Velocità di scanning ~ 20 cm 2 /h/lato Efficienza di ritrovamento micro-traccia ~ 95% Allineamento lastra-lastra (8 GeV/c πs) ~ 0.5 µm Risoluzione angolare ~ 2 mrad

35 Video sequenza di una traccia in emulsione Sequenza di di20 20 immagini (step (step 2 mm mm su su42 42 mm mm di diemulsione Obbiettivo emulsione Supporto plastico 200 µm emulsione

36 Emulsione Nucleare Vertice da interazione di ν (CHORUS) Piani focali differenti Profondità focale ~ 3 µm + 54 µm dal vertice + 36 µm 100 µm ν + 21 µm Le tracce interessanti appaiono come punti 0 µm

37 MINOS Misura del rapporto tra lo spettro di energia del neutrino nel far detector (oscillated) rispetto a quello nel near detector (unoscillated) Detectors located on NuMI beam axis Near Detector (1kt) is located at Fermilab, ~1km downstream of target Far Detector (5.4 kt) is 735km away in Soudan mine, Minnesota Near and Far detectors have the same basic design: steel-scintillator sandwich 2.54 cm of steel + 1cm of solid scintillator (U and V) alternate planes have orthogonal strip orientations

38 Long Baseline Experiments: MINOS NEAR detector 1 kt 282 planes 3.8m high Calorimeter section: first 121 planes Spectrometer section: rear 161 planes, reduced sampling FAR detector 5.4 kt 485 planes detector composed of 2 modules, 15m long, 8m high active veto shield (scintillatormodules)

39 Long Baseline Experiments: MINOS Demonstrate oscillation behaviour confirm flavour oscillations describe data provide high statistics discrimination against alternative models: decoherence, n decay, extra dimensions,etc. Precise Measurement of m 23 ~10 % Search for sub-dominant ν µ v e oscillations + MINOS is the 1 st large deep underground detector with a B-field first direct measurements of ν vs ν oscillations from atmospheric neutrino events

40 Long Baseline Experiments: MINOS

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42 ~50,000 ~50,000 ~500 ~ ~3 1~3 WB/OA WB/OA 4 8/120 8/120 FeHo FeHo 0.2% 0.2% ~5,000 ~5,000 1,000? 1,000? ~1200 ~ OA OA C2GT C2GT 0.3% 0.3% ~4,600 ~4, ? 810? ~2 ~2 OA OA NO NOνA 0.4% 0.4% 0.3% 0.3% 0.2% 0.2% 0.2% 0.2% 0.8% 0.8% 1.2% 1.2% ~1% ~1% ~23,000 ~23,000 50? 50? 810? 810? ~2 ~2 OA OA NO NOνA+PD A+PD ~18,000 ~18,000 ~13,000 ~13,000 ~360,000 ~360,000 ~3,000 ~3,000 ~5,000 ~5,000 ~2,500 ~2,500 ~50 ~50 ν µ CC CC (/yr) (/yr) ~500 ~ OA OA T2K T2K-II II ~500 ~ ~1 ~1 WB/OA WB/OA BNL BNL-Hs Hs ~500 ~ WB WB SPL SPL-Frejus Frejus ~2 ~ M det det (kt kt) L (km) (km) E ν (GeV) (GeV) Beam Beam Power Power (MW) (MW) E p (GeV) (GeV) OA OA T2K T2K-I WB WB CNGS CNGS WB WB MINOS(LE) MINOS(LE) WB WB K2K K2K I II III

43 Performances attese signal ( m 2 = 1.9 x 10-3 ev 2 ) signal ( m 2 = 2.4 x 10-3 ev 2 ) signal ( m 2 = 3.0x 10-3 ev 2 ) BKGD OPERA 1.8 kton fiducial 6.6 (10) 10.5 (15.8) 16.4 (24.6) 0.7 (1.1) + brick finding + 3 prong decay 8.0 (12.1) 12.8 (19.2) 19.9 (29.9) 1.0 (1.5) 0.8 (1.2) ( ) con l upgrade del fascio CNGS (X 1.5)