FISICA  delle "AstroParticelle"e Fisica del Neutrino

Oggetti Astrofisici "Early Universe"  (COSMOLOGIA)

Eventi Rari  (Decadimento del protone) 

Sistemi Fisici Naturali 

Studi Sperimentali di  "Fisica Fondamentale" senza acceleratori  

Paolo LipariRoma 1 giugno 2004

PROGETTI  di STUDI  SPERIMENTALI

Onde Gravitazionali    ROG    VIRGO

Meccanica Quantistica    MIR

Astrofisica/Cosmologia    AMS2    AGILE

Neutrino (Astrofisica)    ANTARES    NEMO­(RD)

Neutrino (Oscillazioni) K2K  OPERA    

Cosmologia    DAMA

Storia  della Fisica:Scoperta, Studio, Comprensionedi nuovi Sistemi  sempre piu'  complessi

Sistema  Solare

Sole, Stelle

Oggetti  Compatti (Nane Bianche, Stelle di Neutroni)

Black Holes,  Active Galactic Nuclei, Gamma Ray Bursts

Early Universe   (COSMOLOGY) 

COSMOLOGY

Boomerang

WMAP

SUPERNOVAE   (Ia) STUDIES

Large Scale Galaxy Survey 

2 Degree Field Galaxy Redshift Survey

220,000 galaxies

Simulation

< 1.5 %

73 ±4 %

23 ±4 %

DARK ENERGY

DARK MATTER

L'ui

DARK ENERGY

L'espansione dell'Universo  sta  accelerando !!

ρ(vacuum)  > 0 

From Rocky Kolb

“Repulsive Effect” 

DARK MATTERPresente  a  scale  diverse  

GalassiaAmmassi di Galassie“Large Scale Structure”

Galactic Dark Halos

Search for "Baryonic Dark Matter" Massive Halo Compact Objects (MACHOS)

Non Baryonic  DARK MATTER Weakly Interacting Massive Particles (WIMP's)

Misura  Diretta :   DAMA 

Telescopi per Neutrini  (NEMO) 

Misura di positroni/anti­protoni  (AMS)

Time  Modulation

DAMA  Laboratori del Gran Sasso

100 Kg   NaI   (Cristalli di Scintillatore) 

7 anni di dati   (fine Luglio 2002)

Nuovo  RivelatoreLIBRA250 Kg entratoin funzione 

Indirect Search for  WIMP's 

Accumulazione nel sole e nella terra

Sun, Earth

Wimp

Elastic Scattering

Emissione di Neutrinidal centro del solee della terra.

Another Indirect Method:

Search for  excess of antiparticles in  Cosmic  Rays

Charged  particles    confined by magnetic magnetic  fieldsaccumulate  in the galaxy.

Antiprotons, Positrons can show a measurable excessover "standard mechanisms"   estimates.

Flusso di Positroni 

Osservazioni  Astrofisiche con   Quattro  MESSAGGERI

Fotoni

Neutrini

Raggi Cosmici (p,e­,  p,e+,...)

Onde Gravitazionali

Quasi tutta la informazionesull'universo ottenuta con "luce"

Estensione del rangedi lunghezzze d'onda

Osservazioni  Astrofisiche con   Quattro  MESSAGGERI

Fotoni

Neutrini

Raggi Cosmici (p,e­,  p,e+,...)

Onde Gravitazionali

Proprieta' del Messaggeroun problema di fisica fondamentale

Ricerca di Onde Gravitazionali

Antenne Risonanti

Interferometria Laser

(seminario G.V. Pallottino)

NAUTILUS (CERN): Al cylinder,M = 2300 kg, L =  3 m,  diameter of 60 cm.  T  = 0.1 KResonance frequencies:  908 and 924 Hz

EXPLORER (Frascati): Al  cylinder,M =  2300 kg, L = 3 m, diameter = 60 cm, T = 4.2 K

Resonance frequencies: 906 and 923 Hz. 

ANTENNE RISONANTI

VIRGO

NEUTRINO  PHYSICS

Particle Properties

Astrophysics with Neutrinos Seminario Antonio Capone

3  Neutrinos  states:   3 masses  m1, m

2, m

3

States  with   definite  masses in general  do not coincide with   the "flavor" states

Flavor basis

Mass basis

Neutrino Mixing Matrix U

U* : Mixing for Antineutrinos

FLAVOR

νe

(νe)

e- (e+)

νµ

(νµ) µ- (µ+)

ντ

(ντ) τ- (τ+)

W

ν: Left handedν: Right handed

νe

e-

e-

νe

e-

e+

Short Distances

FLAVOR  TRANSITIONS Longer Distances

ATMOSPHERIC NEUTRINOS

SOLAR NEUTRINOS

m2

Atmospheric Neutrinos

Upper LimitReactor Neutrinos

Solar Neutrinos

m2

∆m2 Sign Ambiguity 

Absolute Mass not determined

From :

  NATURAL NEUTRINOS

to 

  ACCELERATOR  NEUTRINOS

K2K Kek  To Kamiokaexperiment 

NEW !

ν

Extrudedscintillator(15t)

EC

1.7m

3m3m

• Rome group fully responsible for EC      installation and running.

•  Scibar and EC succesfully taking           data since Oct. 7th 2003.   

•  20 x 1018PoT delivered till Feb.’04,          about 28,000   interactions.

•  Alignment and calibration done.

•  The group is now working on                integration into the reconstruction and    MC software and physics analysis.

SciBarK2K - SciBar

SciBar goal:  Measure  flux and neutrino  interaction properties in the 0.5­1 GeV energy range, relevant for oscillation.

Large energy deposit in EC

e

p

K2K - Some SciBar event

QE νe candidate

p

µγ1

γ2

CC πo candidate

K2K - Current Results

• Number of SK events (K2K-I)– Expected– Observed

• Neutrino energy spectrum

– SK single ring µ-like

• Best Fit (flux+shape)

Data

Best Fit

0.6 GeV

No oscillation

Eν0 1 2 3 4

2.64.51.80 +

−

56

..%90@,0.12sin@

][eV10)9.35.1(2

232

LC

m

=×−=∆ −

θ

Shape only.Normalised by area

K2K – Programma futuro

• Nuovo risultato di oscillazione K2K­I+K2K­II per le conferenze estive 2004:

•  Nuova configurazione del near detector (SciBar)

•  SK­II (copertura ½ rispetto a SK­I)

•  Ulteriore presa dati 2004: ottobre­dicembre.

•  Presa dati 2005 fino ad aprile.  Possibile estensione a luglio ’05, inizio dei lavori per la completa ricostruzione di 

SuperKamiokande in vista di T2K.

•  Obiettivi analisi K2K­II:  •  migliorare la significanza statistica del deficit assoluto;•  osservare un pattern spettrale di oscillazione statisticamente significativo.  

CERN to Gran SassoFermilab to Minos

ντ

τ

~ 0.6 mm

OPERA :  

OOscillationscillation P Project withroject with E Emulsionmulsion--ttRRackingacking AApparatuspparatus The Collaboration & The Detector

36 groups~ 165 physicists

RussiaINR Moscow, ITEP Moscow,

JINR Dubna, Obninsk

BelgiumIIHE(ULB-VUB) Brussels

FranceLAPP Annecy, IPNL Lyon,

LAL Orsay, IRES Strasbourg

Germany Berlin, Hagen,

Hamburg, Münster, Rostock

IsraelTechnion Haifa

ItalyBari, Bologna, LNF Frascati, L’Aquila, LNGS, Naples, Padova, Rome, Salerno

JapanAichi, Toho, Kobe, Nagoya, Utsunomiya

SwitzerlandBern, Neuchâtel

TurkeyMETU Ankara

ChinaIHEP Beijing, Shandong

CroatiaZagreb University

BulgariaSofia University

KoreaPusan, Seul

•  Hybrid Detector Hybrid Detector •  Two supermodules Two supermodules •  Target Mass 1766 tonsTarget Mass 1766 tons•  2 Mag. Spectrometers2 Mag. Spectrometers      with RPC & Drift tubeswith RPC & Drift tubes•  2 x [31 Target Tracker 2 x [31 Target Tracker     and Target Walls]and Target Walls]•  206,336 “ECC bricks” 206,336 “ECC bricks”     (Pb/Emulsion)(Pb/Emulsion)•  12 M Emulsion plates 12 M Emulsion plates     (thin double­coated) (thin double­coated) 

8.3kg

10 X0

OPERA/CNGS1 an hybrid detector

supermodule

8 m

Target Trackers

Pb/Em. target

Electronic detector

→ finds the brick of       interaction

→   ID, charge and p

Emulsion analysis  vertex  decay kink  

 e/  ID, multiple scattering, kinematics

Extract selected brick  

Pb/Em. brick

8 cm Pb 1 mm

Basic “cell”

1 brick:1 brick:10.2x12.7x7.5 cm10.2x12.7x7.5 cm57 Em. Plates57 Em. Plates56 Pb (1 mm)56 Pb (1 mm)

8.3kg

10 X0

OPERA OPERA PhysicsPhysics goals goals

νµ ↔ ντ → τ- + X

µ− ντ νµ (18%)h- ντ νπο (50%)e- ντ νε (18%)π+ π− π− ντ νπο (14%)

After  neutrino  oscillation and subsequent interaction   After  neutrino  oscillation and subsequent interaction   of neutrino­tau of neutrino­tau   :   :  direct observation of the production and decay of the tau   direct observation of the production and decay of the tau   

        (large mass & high spatial resolution required)(large mass & high spatial resolution required)

• Also detect vAlso detect vµµ↔↔ v vee oscillations and subsequent oscillations and subsequent

interaction of vinteraction of vee by detecting “prompt” electronsby detecting “prompt” electrons

ντ

τ~ 0.6 mm

(1.5 more intense beam)

Attività OPERA – Roma1Attività OPERA – Roma1@ @ Gran SassoGran Sasso Lab: Lab:  Preparazione infrastrutture Preparazione infrastrutture emulsioniemulsioni   (nella foto: prototipo per    (nella foto: prototipo per sviluppo automatizzato,sviluppo automatizzato,     G. Rosa, A. Buccheri, A.      G. Rosa, A. Buccheri, A. Pelosi)Pelosi)  Test su cosmici e su Test su cosmici e su background in cavernabackground in caverna      (Bari, Bologna, Napoli, (Bari, Bologna, Napoli, Roma, Salerno)Roma, Salerno)  

Attività  OPERA – Roma1 Attività  OPERA – Roma1 in sedein sede::  Allestimento microscopio Allestimento microscopio automatizzatoautomatizzato     (G. Rosa, A. Ruggeri, P. Pecchi,  (G. Rosa, A. Ruggeri, P. Pecchi, P. Sestito)P. Sestito)  Acquisizione dati  da test  a LNGS, Acquisizione dati  da test  a LNGS, CERN, etc. CERN, etc.       (Bari, Bologna, Napoli, Roma, S(Bari, Bologna, Napoli, Roma, Salerno, Lyon, Bern, Neuchatel)alerno, Lyon, Bern, Neuchatel)

  Sviluppo software Sviluppo software di tracciamento in emulsionidi tracciamento in emulsioni

Magnete 1  : CompletatoMagnete 2: In costruzione

Struttura Meccanica : In Costruzione

In tempo per  ricevere il  fascio di neutrinicome  programmato nel   MAGGIO 2006

Seminario di Giovanni ROSA24 giugno

The Absolute Neutrino MASS

Normalmass ordering

Invertedmass ordering

Katrin Experiment  Sensitivity  (0.3 eV)

StructuredUniverse

Added Hot Dark Matter

Dirac Particle Majorana Particle

Majorana Particle

Controversial claim(Klapdor et al)

Atmospheric

Solar

Astro-physical

NaturalνFluxes

Cosmological Supernova

Neutrino Telescopes

Detection concept

Neutrino Telescopes

Icecube

AMS

Anti Matter SpectrometerSatellite instrument

Matter­Antimatter  Asymmetry

Nature of Dark Matter

Origin of Cosmic Rays

Gamma Astronomy

A.Agneni, G.Amelino­Camelia, S.Baccaro/ENEA, F.Baffioni,  A.Bartoloni,  B.Borgia,   C.Bosio,  C.Gargiulo,  S.Gentile, M.Montecchi/ENEA, A.Paolozzi,  P.Rapagnani,  C.Rossi, F.Safai 

Tehrani,  F.Spada,  E.Valente

Istallazione  nella International Space Station (ISS)Gennaio 2008Tre anni

la collaborazione AMS

• accettanza ? 0.5 m2 sr

• magnete super conduttore

– B = 0.8 Tesla

• transition radiation

– 5000 tubi prop. Xe/CO2

• tracker 6.5 m2 Si

• tempo di volo

• ring cerenkov

• calorimetro em

Misura di precisione  di PARTICELLE   CARICHE

Identificazione della  massadella carica

Transition Radiation Detector (TRD)

• raggi X irraggiati da particelle cariche nell’interfaccia tra due mezzi

• 20 strati di radiatore (“ovatta”) alternati a 20 strati di tubi proporzionali (Xe/CO2)

• segnale ? E/m• separazione p/e ? 10-2 fino a ~ 300 GeV/c

Roma partecipa alla costruzione del TRD

ORIGINE della ASIMMETRIA MATERIA ­ ANTIMATERIA

ESISTE una  CONCENTRAZIONE  SIGNIFICATIVAdi  ANTIMATERIA  nell'UNIVERSO ?  

Ricerca  di  Anti­Nuclei   nei Raggi Cosmici

AMS­01   (10 days  flight  June 1998) 

Ricerca di Anti­Materia

ASTRONOMIA GAMMA

E

Eγ > 100 MeV

Compton Gamma Ray Observatory

1991-2000

CGRO

EGRET

GAMMA RAY BURSTS  (GRB's) 

3C 219

Optical

Radio

ACTIVE GALACTIC NUCLEI

CYGNUS-A

JETSVLA radio image

VLBI 

VLA

SuperluminalMotion

θ

Emission Mechanism:

Acceleration of  charged particles  (e ,p)to relativistic  energies

Radiation Processes:

Cosmic Ray Production

Neutrino Emission

AGILE  detector  (Italian Space Agency)

Scheduled launch   end ­ 2005

Sensibilita comparabile/miglioredi EGRET

Rivelazione simultaneadi raggi X

GLAST

Launch  2007

Order of magnitude improvement overEGRET

CASIMIR Effect

MOTION INDUCED  RADIATION (MIR)

Forza collegata alle fluttuazioni del vuoto quantistico

Dynamic CASIMIR  Effect 

Surfaces  oscillating  Emission of  Radiation

"Virtual Motion" [Semiconductor layer + Laser]

Studi Sperimentali di Fisica  Fondamentale  senza Acceleratori

Programma scientifico:       ricco, articolato,       in pieno sviluppo