Il mistero dei neutrini

Gilardoni Simone

CERNCERN - PS/PP DivisionPS/PP DivisionUniversité de Genève - DPNCDPNC

Sommario….

• Breve storia dei neutrini

• Modello standard

• Come si producono

• Come si rivelano

• Il problema dei neutrini solari

• I neutrini atmosferici: le oscillazioni

• I neutrini dai reattori

• La neutrino factory

Perché i neutrini? (prologo...)

Spettro continuo Energia elettrone nei decadimenti (1914) ???

Spettro a righe delle

Disintegrazione 2 corpi

Disintegrazione a 3 corpi !!!

• Teoria sviluppata da Fermi

• Beta inverso proposto da Pontecorvo

1954 rivelazione primo neutrino

… e da allora molto rimane da scoprire

Il puzzle dei neutrini: atto primo

“Dear Radioactive Ladies and Gentlemen: I beg you to receive graciously the bearer of this letter who will report to you in detail how I have hit on a desperate way to escape from the problem of […] the continuous spectrum in order to save […] the law of conservation of energy. Namely the possibility that electrically neutral particles […] neutrons”

W. PauliW. Pauli

Neutrinos? ”Oh, that’s a problem like new taxes, one had best not think about it at all”

P. DeByeP. DeBye

Era il 1930… e di neutrini non si parlava ancora…. Il neutrone venne scoperto nel 1935 ….

Verifica del Modello Standard

Da disintegrazioni

della Z0 a LEP (CERN)

Numero di sapori dei neutrini 3

p + D 3He +

I neutrini solari: reazione di fusione p + p D + e+ + e (pp)

p+e-+p D + e (pep)

86%

3He + 3He 4He + 2p

3He + 4He 7Be +

14%

7Be + e- 7Li + e

7Be + p 8B +

0.1%99 %

8B 2(4He) + e+ + e e/cm2/s

I neutrini atmosferici

Neutrini muonici e elettronici

Rapporto e p + N X

ee(e) +

Errore sul flusso previsto

20%

I reattori nucleari (antineutrini elettronici)

Il futuro dei fasci di neutrini: la Nufact

Come si rivelano i neutrini

• Reazione beta inverso : esperimenti radiochimiciGallex

• Interazione per corrente carica (scambio di un bosone W) Esperimenti on-line : Super-Kamiokande

• Interazione per corrente neutra (scambio di un bosone Z0) Gargamelle, Borexino, Super-Kamiokande

Correnti cariche e correnti neutre:un po’ di teoria dei campi…..

I neutrini solari mancanti… - 50 % !!!- 50 % !!!

•Oscillazioni ?

•Modello solare?

•Effetto del rivelatore?O altro ???

I neutrini solari mancanti

• Errore nel modello solare? Limite inferiore da potenza (luce) emessa

• Effetto del metodo di rivelazione? Stessi risultati con diversi tipi di

rivelatori (Gallex, Sage, Kamiokande) Test sul sistema di rivelazione

(Gallex)

• Oscillazioni ? Evidenza sperimentale da Super-

Kamiokande

• Effetto MSW (da testare)

L’ esperimento GALLEX

Vasca 30.3t Ga target 12t 71Ga

71Ga + e 71Ge + e-

Soglia = 233 KeV

GaCl4 liquido GeCl3

volatile

Separazione con N2

Misura dell’attivita del Ge

C.E. T1/2=11.43 d

L’ esperimento GALLEX: il tunnel del Gran Sasso

Laboratori Nazionali del Gran Sasso: 1400 m di roccia 3800 m

d’acqua

Gallex

atteso = 123 132 SNU

misurato=79 10 6 SNU GALLEX

misurato = 73 18 6 SNU SAGE

• Modello solare ?

• Problema dell’ esperimento?

• Oscillazioni?

Misura flusso solare via beta inverso

Test dell’ esperimento GALLEX

Sorgente di 51Cr:• Alta attivita’• E confrontabile a spettro solare• Vita media sufficiente

A = 61.9 1.2 PBq

mtot = 35.5 Kg

Rate = misurati/attesi = 1.04 Rate = misurati/attesi = 1.04 0.120.12

Gallex

Super-Kamiokande50 K-ton d’ acqua,11 146 PMT

Effetto Cherenkov

1) Size Cylinder of 41.4m (Height) x 39.3m (Diameter)

2) Weight 50,000 tons of pure water

3) Light Sensitivity 11,200 photomultiplier tubes (50cm each in diameter -the biggest size in the world)

4) Energy Resolution 2.5% (at 1 GeV) and 16% (at 10 MeV)

5) Energy Threshold 5 MeV

Super-Kamiokande

Super-K

Principio di rivelazione

•Interazione per corrente carica per atmosferici (E GeV) + N leptone + X Sapore leptone Sapore neutrino

•Interazione per corrente neutra per solari e + e- e + e-

Effetto Cherenkov

Cono di luce se particella viaggia più veloce della luce NEL MEZZO

cos = 1/(n) =v/c (= 42o)

Soglie di rivelazione e 0.768 MeV 158.7 MeV 209.7 MeV

Muon fully contained atmosferico

Electron event atmosferico

Electron event solare

Risultati di Super-K: evidenza di oscillazione

Neutrini atmosferici R= (/e)dati/(/e)MC

•Rate indipendente da flusso assoluto dei cosmici

•MC dipende dai parametri di oscillazione m2 e sin2

R = 0.63 0.03 0.05 (MC senza oscillazione) Best fit m2= 2.2*10-3 eV2 e sin2= 65.2 su 67 DOF

•Asimmetria alto-basso (atmosferici)

•Effetto giorno notte (solari)

Risultati di Super-K: nessuna oscillazione e

Oscillazione

o neutrino sterile

Introduzione alle oscillazioni a due componenti

e(t=0) cossin

(t=0)sincosTime evolution

(t)sinexp[-i(2E1/h)t] cosexp[-i(2E2/h)t]

E2k=p2c2+m2

kc4 k=1,2 Ek, k diverse se masse diverse

Gli autostati dell’ Hamiltoniana di propagazione 1 e 2(mass statemass state) non coincidono con gli stati della Lagrangiana dell’ interazione debole (weak stateweak state) e

Le oscillazioni dei neutrini

Probabilita’ di oscillazione

P(e) = |< (t)|e(t=0)>|2= sin22sin2(xosc

osc = 2.5 E/m2

Parametri

In: x, E

Out: sin22Amp. Mixing m2=m1

2 - m22

Riassunto risultati

K2K: primo Long Base Line experiment

Neutrino at near detector

Flusso di neutrini per K2K

Chooz

Neutrini da due reattori nucleari da 8.4 GWth

Flusso medio: 5 miliardi/secondo/cm2 a L = 1 km 24 evt/dayEnergia media: E = 3.0 MeV

Rivelazione flusso mancante

e+p e++ n

Scintillatore + Gd

Segnale

coincidenza 2 511 KeV

e

da 8 MeV cattura n su Gd

Risultati Chooz I

Risultati Chooz II

Rate = Aspettati/Misurati = 0.98 0.04 0.04

Risultati Chooz III

Come si legge ???

Plot di EsclusioneEsclusione

Relazione flusso neutrini vs potenza reattore

Teoria MSW (matter effect)Nella materia interagiscono per corrente neutra

indice di rifrazione n0 = 1 + 2Nefnc/p2 Ne densita’ e-, p momento

n uguale per tutti i saporiSolo i einteragiscono con e- materia per corrente carica termine supplementare nell’indice di rifrazione

n = n0+GfNe/p

Passando nella materia si introduce uno sfasamento tra gli stati di sapore (come le componenti della luce polarizzata in un mezzo birifrangente)

Cambia la probabilita’ d’oscillazioneCambia la probabilita’ d’oscillazione

Teoria MSWPer certi m2 e sin22

Probabilita’ sopravvivenza e

e

e

Teoria MSW

Righe del Be uccise dal MSW

Borexino

Scattering per corrente neutra e su e-

Scintillatore:

pseudocumene 300t

Pb: radiazione di fondoK40, U

Scopo: Misura raggi del Be

Nomad: apparizione neutrino

Fascio di E = 24 GeV Flusso medio 106 /s/cm2 a 1 km.

Rivelazione neutrino in fascio di neutrini ed eda identificazione leptone

Horn

Beam stopper

Produzione fasci di neutrini muonici

Proton driver

Target

e

To experiment

Decay tunnel

Il sistema di focalizzazione: magnetic horn

Event

Eventi tipici di Nomad

Muone

eEvent

Elettrone

Il progetto LBL al CERN: CNGS

Distanza = 732 Km Ep = 450 GeV E=15-20 GeV Apparizione neutrino

Decadimento doppio beta

N(A,Z) N(A,Z-2) + e-e- ()

76Ge

76As

76Se

Q = 204 MeV

Se neutrino tipo Majorana neutrino = antineutrino

annichilazione (come e+e-)no neutrini da doppio

Due telescopi a neutrini: il mare e il ghiaccio

Le mie “coordinate”

e-mail: simone.gilardoni@cern.ch

tel. uff.: 0041 22 767 1823