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Corso di Fisica SubnucleareParte II – AA 06-07

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Esperimenti sui Neutrini Solari

● Radiochimici:

eA Z e− AZ1

Instabile,se ne identifica ildecadimento

● Elettronici:e e− e e−

Osservo segnaleda e diffuso

● Sezioni d'urto piccole, servono rivelatori di grandi dimensioni


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Il Tasso d'Osservazione

R= numero di eventi osservati/sec :flusso

R=⋅⋅⋅N Nucleoni≃1010⋅10−45⋅⋅N Nucleoni

Sezione d'urto

Per 1 evento / giorno (105 sec) :

N Nucleoni≃1030 /Efficienza di rivelazione: dipende

fortemente dal processo utilizzato e dalla porzione di spettro analizzato


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Radiochimici

● Emin bassa:

– h alta ~ 1-10 %– Tutto (o quasi) lo spettro

● “Piccoli”: o(10- 100 ton)

● Nessuna informazione su v incidente (E, Q, t )

Elettronici

● Emin ~ 5 MeV: – h bassa ~ 10-4

– Solo 8B● Grandi: ~ 10 kton o piu'

● Misurare (E, Q, t ) del v (in tempo reale)

Riduce notevolmente le incertezze sul calcolo del flusso


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La Solar Neutrino Unit (SNU)

● Si definisce la SNU = 10-36 catture /atomo/ sec come unita' di misura dei flussi di neutrini

● La resa misurata in SNU dipende da h, ma non dalle dimensioni del rivelatore

● La resa predetta (in SNU) dipende inoltre dal Modello Standard Solare (flusso integrato entro la regione di sensibilita' del rivelatore)


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Radiochimici (1) : HomeStake● Miniera in disuso nel South Dakota, run dal 1967 al 1998● Reazione ;

● 615 ton C2Cl4 (perclorato-etilene, 37Cl ~ 24%, 2.2 1030 atomi di bersaglio), flussato ogni ~ 60 giorni per estrarre 37Ar (elemento volatile), identificato a parte mediante decadimento b:

37 Ar e e 37Cl

Soglia 814 KeV (7Be, no pp)

Predizione : 7.5 ±1.2 SNU (1.15 7Be + 5.76 8B)Osservato : 2.56±0.16±0.15 SNU Rapporto O/P : 0.34±0.05

ve37Cl e− 37 Ar

1.4 37Ar/giorno


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Radiochimici (2) : ne 71Ga -> e- 71Ge● GALLEX, GNO (Gran Sasso 91-97, 30 ton in soluzione HCl )● SAGE (Lago Baksan, 1990-2001 Caucaso, 50 ton Ga

liquido 40o)

● Estrazione ~ 20 gg di GeCl4 (volatile), rivela 71Ge mediante processo di cattura: e-71Ge -> 71Ga ve

● 71Ga e' instabile, rivelo righe K,L del decadimento g

Soglia 233 KeV (7Be e anche pp)

Predizione : 128 ±8 SNU (70 pp +34 7Be + 12 8B + ...)

GALLEX : 69.3±4.1±3.6 SNU SAGE : 69.1±4.3 SNURapporto (O/P) : 0.56±0.05


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Tempo Reale (1) : SuperKamiokande

● 22.5 Kton H20 ve e-> ve e

● Misura g Cherenkov in H2O e emesso

● Ev >> me , e collineare con v incidente:

Soglia 5 MeV (solo 8B)

cos ,e≃1−me

2

2 E e E

≃1

cos(Angolo) rispetto al sole

Fondi

Segnale22400 ±800

# v /day vs Ev (MeV)

Predizione : 5.5 ±1 106 v/cm2/sOsservati : 2.35±0.02±0.08 106 v/cm2/sRapporto (O/P) : 0.465±0.005±0.083

Esercizio

Maggiori dettagli poi ...


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Alcune Domande

● E' un vero deficit , o e' sbagliato il calcolo dei flussi ?

● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere)

● Oscillazione nel vuoto (Q grande) o nel sole (Q piccolo + risonanza )

● Oscillazione anche nella terra ?


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Alcune Domande





Misure di S.N.O.


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Alcune Domande





Misure di S.N.O e reattori


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Alcune Domande




● Oscillazione anche nella terra ? NOSNO e SuperKamiokande


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Una Considerazione

● SK e SNO misurano la reazione elastica v e -> v e● A rigore non e' ristretta ai soli ve, ma questi sono

favoriti dalle C.C.:

v v

ee

ve e

vee

ve,vm ,vt Solo v

e

NC=gV2 g A

2gV g A 0

0=2GF

2 me

3E

CC=30

Z W


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Diffusione Elastica ve -> ve

● Se il fascio contiene fa neutrini di tipo a la sezione d'urto media osservata e': s DE = s0 { 1.66 fe + 0.27 (fm+ft ) }

● Se fe = fm+ft , il contributo di ve a sDE e'1.66/(1.66+0.27) = 86 %

Deficit di ve !● Posso misurare indipendentemente i tre flussi ?

,e =NC= 0gV , e2 g A, e

2 gV ,e g A, e=0.270

e e=NCCCinterferenza

=0[ gV , e2 g A, e

2 gV , e g A,e 33gV ,eg A, e]=1.660

Esercizio: ricavare questi rapporti ricordando chei g

Ve = -1/2+2sin2q

W = -0.0376, g

Ae = -1/2


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Il principio di SNO

● Misuro tre processi, diversamente sensibili a ve,vm e vt:

1) E.S.. va e -> va e fe+0.14(fm+ft) come SK

2) C.C. ve d -> epp 100%ve 1.442 MeV

3) C.N. va d -> vapn fe+fm+ft (uguali) 2.225 MeV

● Cfr 1)+2)+3) : calcolo il flusso complessivo di v dal sole

● Misura indipendente da Modello Standard Solare


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Il Sudbury Neutrino Observatory

● Miniera di Sudbury (Ontario), 2070 m

● Nocciolo: 1Kton D2O ultra pura

● Schermo: 8Kton H2O ultra pura

● ~ 10000 fotomoltiplicatori per misurare radiazione Cherenkov


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Il metodo di SNO

1) E.S. va e -> va e fe+0.14(fm+ft)

2) C.C. ve d -> epp 100%ve

3) C.N. va d -> vapn fe+fm+ft (uguali)

● 1999-2001:

n d -> 3He g (Eg = 6.3 MeV, h ~ 14 %)● Dal 2001 aggiunta 2ton NaCl:

n 35Cl -> 36Cl + raggi g (SEg ~ 8.6 MeV, h ~ 40 %)

Isotropia g dai tre processi

Direzione rispetto al sole


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Risultati (SNO + SK)● Il sole produce solo v

e

● Assenza di oscillazione: fCC=fES=fNC=f(ve) (f(vm)=f(vt)=0)

● Oscillazione: f(ve)=fCC < fNC=f(ve)+f(vm+vt)

Possiamo dedurre dal grafico se l'oscillazione ha luogo ?


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Risultati Numerici(SNO + SK)

● Il flusso osservato e' consistente col calcolo del MMS● I neutrini provenienti dal sole consistono, sulla terra,

30% ve , 70% vm+vt (ma non sappiamo quali dei due)

NC

SSM

=1.03±0.20

Prova Definitiva Oscillazione v


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Oscillazione nel vuoto ?

● Dovrei osservare:

– Modulazioni stagionali ~ 10 % (dipendenza da L)– Modulazioni in Energia ~ 20 % (dipendenza da E)

● Probabilita' di scomparsa:

ee = 1−sin2 2sin 21.267m2

EL ≃ 0.3

sin21.267m2

EL ≃ 0.7

sin2 2 0.7

L ~ 1.496 1011 mDL/L ~ 3%


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Oscillazione nel sole

Nessun effetto osservatoLe oscillazioni nel vuoto non bastano a spiegare il fenomeno, ma bisogna ricorrere all'effetto della materia solareNo variazione giorno-notte (SK): nessuna effetto dovuto alla Terra

Dati vs Teoria (no osc vuoto)

Modulazione indotta da variazione angolo solido


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Neutrini da reattore● Uso parassitario prodotti secondari da reattori

commerciali: 235(238)U, 239(241)P● Abbondante produzione n che decadono b

● In media 6 anti-ve / fissione

● Tipica precisione ~ +- 3% :

– Conoscenza processi di fissione e decadimento– Conoscenza dettagliata parametri operativi

● Si rivela mediante ●

e cm−2 s−1≃1.5 1012 P MW L2m2

e pe n soglia2.6 MeV

≃9.210−42E

10 MeV

2

cm2 / protone


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Risultati da reattori

● Rivelatori “vicini” (CHOOZ, Palo Verde) ~ 1 Km dai reattori– Sensibilita' Dm2 ~ 10-3 ev2

● KAMLAND ~ 140-200 Km da 26 reattori P ~ 70 GW– Sensibilita' Dm2 ~ 10-5 ev2

Flusso OsservatoFlusso Atteso


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Risultati Oscillazione v e

● Combinando SK, SNO e Kamland (CP conservata):

Dm2 = (8.0 ± 0.5) 10-5 ev2

Q = (33.9 ± 2.3)o

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