La velocità dei neutrini

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1 XI edizione Giornata Fermiana per studenti del Liceo S.S. E. Fermi di Padova e delle scuole superiori del Veneto Riccardo Brugnera Dipartimento di Fisica e Astronomia Università di Padova INFN di Padova Dipartimento di Fisica e Astronomia Galileo Galilei La velocità dei neutrini Sommario: Importanza dei neutrini Oscillazione dei neutrini Misura della velocità dei neutrini Conclusioni R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 1

2 Come è fatto il mondo? Due sono le teorie fondamentali (ancora disgiunte, purtroppo): 1) Modello Standard: spiega il microcosmo 2) Relatività generale: spiega il macrocosmo : R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 2

3 Il Modello Standard Il nostro mondo è fatto di quarks e leptoni legati dalle forze elettromagnetica, debole e forte. Il NEUTRINO la particella più misteriosa Importantissimo per Fisica, Astrofisica e Csomologia R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 3

4 R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 4

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8 Sappiamo quindi già tutto? Nel 1998 è successo qualcosa di straordinario, per la prima volta è stata fatta una crepa nel muro del Modello Standard. Oscillazione dei neutrini: cosa sono? Durante il loro viaggio, tra il punto di produzione ed il punto di rivelazione, i neutrini cambiano di identità.. È un fenomeno possibile solo se il neutrino ha una massa diversa da zero, diversamente da quanto codificato nel Modello Standard. R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 8

9 L'esperimento OPERA L'esperimento OPERA è stato pensato, progettato e costruito per studiare il fenomeno delle oscillazioni esperimenti di SCOMPARSA OPERA: COMPARSA OPERA non è stato costruito per misurare la velocità dei! R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 9

10 Neutrini dal CERN al Gran Sasso R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 10

11 THE OPERA COLLABORATION 160 physicists, 30 institutions, 11 countries Belgium ULB Brussels Croatia IRB Zagreb France LAPP Annecy IPNL Lyon IPHC Strasbourg Germany Hamburg Israel Technion Haifa Italy Bari Bologna LNF Frascati L Aquila, LNGS Naples Padova Rome Salerno Japan Aichi Toho Kobe Nagoya Utsunomiya Korea Jinju Russia INR RAS Moscow LPI RAS Moscow ITEP Moscow SINP MSU Moscow JINR Dubna Switzerland Bern ETH Zurich Turkey METU Ankara R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 11

12 L'esperimento OPERA L'esperimento OPERA (1200 ton di Pb + rivelatori) si trova sotto il Gran Sasso m il Gran Sasso con i suoi 2914 m di roccia è un filtro naturale molto potente contro i raggi cosmici gallerie dell autostrada A24 (Roma Teramo) R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 12

13 L'esperimento OPERA 8 m 20 m 8 m R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 13

14 L'esperimento OPERA R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 14

15 L'esperimento OPERA R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 15

16 Il Rivelatore OPERA visto di fianco muone altra particella carica visto dall alto guardando sotto i vostri piedi R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 16

17 Misura della velocità dei neutrini v = L t R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 17

18 Precedenti misure È mai stata tentata prima una misura di questo tipo? Sì più volte! 1)Negli anni '70: al FNAL (USA), non hanno trovato nulla e hanno dunque posto un limite: v-c /c < )Nel 1987 è esplosa una Supernova nelle nostre vicinanze ( anni-luce). La luce è arrivata (quasi) insieme ai neutrini altro limite v-c /c < )Nel 2007 l'esperimento MINOS (USA) ha tentato una misura molto simile a quella di OPERA, ma con grandi errori: (v-c)/c = (5.1 ± 2.9) 10-5 NON CONCLUSIVA R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 18

19 Ingredienti della misura Perfetta conoscenza dello spazio percorso geodesia Perfetta conoscenza del tempo impiegato GPS+orologi atomici CERN LNGS R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 19

20 R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 20

21 La partenza vista da vicino R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 21

22 Il viaggio T flight = 2.44 ms R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 22

23 L'arrivo al Gran Sasso Qui il fascio è largo circa 600 m R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 23

24 R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 24

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26 R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 26

27 Un neutrino visto al display R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 27

28 Misura della distanza Misura composta da diverse parti: - Distanza tra le due antenne GPS - Distanza tra l'antenna al CERN e il punto di produzione - Distanza tra l'antenna ai LNGS e il punto di interazione Distanza misurata: ± 0.2 m R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 28

29 LNGS position monitoring deriva dei continenti R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 29

30 Riassunto della misura di tempo di volo dei neutrini R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 30

31 Misura dei tempi Uso del GPS in common view : Un tipico GPS usa 4 satelliti per determinare le 4 coordinate (x,y,z,t) Se invece le posizioni degli orologi sono già note (da misure precedenti) basta un solo satellite Misura più precisa, che consente di ottenere una precisione del ns R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 31

32 I genitori dei neutrini... Queste sono due foto dei protoni prima di collidere con il bersaglio e quindi generare i neutrini. Sono queste foto che danno lo start ai cronometri... R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 32

33 Come si misura il tempo di volo? tempi di partenza dei protoni tempi di arrivo dei neutrini il tempo di volo che cerchiamo è strettamente collegato al valore di δt per cui c è una buona sovrapposizione tra i tempi di partenza e arrivo quante collisioni di neutrini sono mostrate in questi istogrammi? raccolte dal 2009 a metà 2011 R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 33

34 Risultato finale La differenza di volo calcolato assumendo la velocità della luce e quello misurato vale: t = 57.8±7.8 stat. 8.3 sys. ns 5.9 In termini di velocità relativa rispetto alla velocità della luce: v c / c= 2.37±0.32 stat sys È un risultato (statisticamente) MOLTO significativo: 6.2 come a dire: è praticamente impossibile che sia un risultato generato dal caso! R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 34

35 Ulteriori checks E se il problema fosse nell'analisi statistica dei dati? NUOVO TIPO di FASCIO Ora sappiamo perfettamente QUANDO è partito il SINGOLO neutrino! R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 35

36 Ulteriori checks: risultati I risultati confermano perfettamente, e con maggior precisione, quanto ottenuto con l'analisi statistica: t = (62.1 ± 3.7 ) ns R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 36

37 Prossimo futuro Ulteriori test da parte della stessa Collaborazione OPERA, ad esempio usando nuovi rivelatori o misurando i ritardi dei muoni (parenti stretti dei neutrini) al CERN. Stesso test da parte di altri esperimenti dei LNGS (usando dunque sempre neutrini del CNGS). Test simile con un altro fascio ed un altro rivelatore, ad esempio MINOS negli USA o T2K in Giappone. Test provenienti da altri ambiti: esempio con i raggi cosmici. Se questi test dovessero confermare la misura, si aprirà una nuova fase, immaginando anche potenziali ripensamenti nella road map da parte della comunità scientifica. Ma ora siamo fermi al primo step, quindi procediamo con calma! R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 37

38 E se fosse vero? Al momento non abbiamo idea di quale possa essere l'interpretazione di un simile fenomeno o forse di idee ce ne sono fin troppe! È un fenomeno che dipende dall'energia? Bisogna spiegare anche il risultato della Supernova È un fenomeno che dipende dal materiale attraversato? Vuoto vs crosta terrestre È davvero una violazione della relatività ristretta, oppure ci sono altre spiegazioni? Extra-dimensions sono la moda del momento Ci sono altre dipendenze? Ad esempio dal moto orbitale terrestre? R. Brugnera - XI Giornata Fermiana, Padova 8/2/12 Velocità dei ν 38