Le Astro-particelle

Le Astroparticelle 1

Le Astro-Le Astro-particelleparticelle

1.Introduzione

2. Il Modello Standard del

microcosmo

3. LHC. Esperimenti

4. Neutrini. Sorgenti di neutrini

5. Oscillazioni dei Neutrini

6. Telescopi per neutrini

7. Onde gravitazionali

8. Conclusioni. Prospettive

Giorgio GiacomelliGiorgio Giacomelli Universita’ di Bologna e INFNBologna, 7/11/2009 Lezioni Lincee di astronomia


1. Introduzione. La struttura della materia

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10-9 m molecola es. grafene: strato monoatomico di atomi di C -->

Vuoto Vuoto dovunque ?dovunque ?


Il Modello Standard del microcosmo



Costituenti ultimi

QuarksLeptoni

Forze

Fondamentali

Elettromagnetica

Forte g

Debole Z,W

Gravitazionale G

Materia ordinaria costituita di protoni, neutroni, elettroni . --> u, d, e

+ , sempre viaggianti


Le masse dei costit.ultimi variano da centinaia di GeV a meno di 1eV

Le masse dei sono nulle nel MS

Le oscillazioni dei indicano masse non nulle, ma molto piccole

Masse dei costituenti ultimi

Cosmologia --> m<0.7 eV


Il Modello Standard (Electrodebole+Forte)

L’unica cosa mancante nel MS e’ il bosone di Higgs.Il nuovo acceleratore LHC dovrebbe rispondere a: C’e’ un bosone di Higgs? Qual’e’ la sua massa? E’ elementare o composto?Fisica al di la’ del MS -Ci sono molte motivazioni per cercare nuova fisica al di la’ del MS (Infiniti, SUSY, Materia Oscura,….)

-Le osservate oscillazioni dei sono un’indicazione di nuova fisica?

Possibili candidati per la Materia Oscura -particella supersimmetrica piu’ leggera [WIMP,neutralino(cold DM)] -Axion (warm DM); nucleariti, monopoli magnetici,…..

Misure di precisione agli acceleratori hanno verificato le previsioni del MS senza trovare alcun difetto

QCD e’ la teoria dell’Interazione Forte


3. LHC +acceleratori al CERN (non in scala)

LHC e’ la macchina piu’ complessa che sia mai stata costruita: 7000 magneti superconduttori

Eperimenti: ATLAS, CMS, ALICE,LHCb, ..


SPS Page 1

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L’esperimento CMS a LHC



p

p


View of CMS




Un evento di fondo prodotto da un solo fascio in CMS il

7/11/09




4. Neutrini. Sorgenti di Neutrini



Geo anti-e

anti-e da SN

da sorgenti .

cosmiche

e CMB


Oscillazioni dei Autostati di ”sapore” e, ,

Autostati di massa 1, 2, 3

Decadimenti, Interazioni + + , n - p Propagazione 1(t) = 1(0) e -Et

Mescolamento f = 3m=1 Ufm m

Gli autostati di sapore si propagano come sovrapposizione di autostati di massa Per soli 2 sapori () , () :Probabilita’ di oscillazione in una distanza L:

P() = sin2 223 sin2 (1.27 m223 L/E)

Sparizione in una distanza L:P( ) = 1 - P( )

Se ci sono oscillazioni: m ≠0 , m< 0.1 eVViolazione di Le, L, L , Conservazione di L=Le+Lμ+Lτ ?Invarianza di Lorentz ?

Le Astroparticelle 13p, He, Fe …

p, He, Fe …

5. Neutrini atmosferici

E: 0.1 GeV 100 GeVL: 20 km 13000 km L/E: 1 km/GeV 105 km/GeV

p, He, Fe …

e

e


MACRO (12mx9mx76m) (terminato) al Gran Sasso

MACRO : Analisi finale

H.E.{

Zenith distribut R1= N(cos < -0.7)/N(cos> -0.4)

E estimate R2= N(low E) / N(high E)

L.E. IU, ID and UGS R3= N(ID+UGS) / N(IU)

Best fit parameters for m23

2 = 2.3 10-3 eV2 ; sin2 2 =1

Predictions of the new FLUKA and Honda Monte CarlosH.E. 25% low ; L.E. 12% low Bartol96 may give additional evidence for oscillations:Absolute values referred to Bartol96 MC: R4=(Data/MC)H.E. ; R5=(Data/MC)L.E.

With these informations, the no oscillation hypothesis ruled out by ~6


SuperKamiokande

50kt total volume22.5kt fiducial volume20’PMT photocath.cover. SK-I 11,146 40%SK-II 5,182 19%

41m

39m

Mt Ikenoyama

1000m underground


6. Esperimenti long baseline

•K2K (KEK to Kamioka) (250 km) Near Detector and Far Detector (SuperK) Ratio=measured/expected was <1

•NuMI from Fermilab to Soudan mine (735 km) Experiment Minos Near Detector (1000 t) , Far Detector (5500 t) Ratio=measured/expected < 1 ∆m23

2=2.38 10-3 eV2

• CNGS beam from CERN to Gran Sasso (732 km)

Experiments: Opera: Appearance--> experiment

LVD monitor, Borexino, Icarus

Neutrino Beam size at GS : about 1 km


Fascio di dal CERN al Gran Sasso

GPS

TCERN = Time Stamp SPS extraction

TOPERA = Event TimeStamp

Tflight = 2.44 msec

TOPERA - (TCERN + Tflight) < ∆TGate

GPS Time Stamp resolution ~ 100 ns


Struttura dell’esperimento OPERA

31 target planes / supermodule (in total: 150000 bricks, 1350 tons)

TargetsMagnetic Spectrometers

SM1 SM2

Scopo principale: verificare che si tratti di oscillazione di, -->


OPERA in Hall C

5/28/09 L Patrizii - CIPANP09 4

Super Module 1Super Module 1 Super Module 2Super Module 2

CNGS Beam

Muon spectrometerfor momentum and charge identification

of penetrating particles

Target150, 000 bricks (total)Scintillator strips : Brick selection Calorimetry


Microscopio automatico veloce


kink=0.204 rad

“Evento” CC candidato charm


n

p

• Advantages w.r.t. other messengers:–Photons: interact with CMB and matter–Protons: interact with CMB and are deflected by magnetic fields–Neutrons: are not stable

• Drawback: large detectors (~GTon) are needed.

photon

6. “Telescopi” per neutrini. Astronomia a neutrini di alta energia

Non ci sono per ora risultati positivi. Sono in costruzione telescopi piu’ grandi.


č

43°

interaction

Optical detection of


70 m

100 m

14.5 m

Junctionbox

Readout cables

40 kmcable2500 m

350 m

un piano

ANTARES




Slide presentata a un convegno sul riscaldamento globale in risposta ad alcune motivazioni dubbie. Forse anche qui ci sono alcune motivazioni dubbie ?


Rivelazione di un’onda gravitazionale

Interferometro

7. Onde gravitazionali

Non ci sono ancora risultati positivi. Si cerca di migliorare la sensibilita’.


Onde gravitazionali. Virgo


7a. Conclusioni. Prospettive per i

Neutrini atmosferici e esperimenti long baseline: 2-flavor oscillation

m232

=

Soudan2 5.2 10-3

eV2

MACRO 2.3 “SK 2.5 “K2K 2.7 “Minos 2.38 “

-No oscillations , No Lorentz invariance violation

Mixing massimo

I neutrini sono particelle di Dirac o di Majorana ?

Si capiscono le oscillazioni dei neutrini atmosferici e dei neutrini solari; si deve determinare se esiste l’oscillazione -->e e se m3>m2>m1

Diversi tipi di Telescopi a Neutrini sono in funzione e/o in fase di ingrandimento


7b. Conclusioni.

Prospettive Il modello Standard del microcosmo e’ valido, ma manca il bosone di Higgs --> Si attende LHC

Solo il ~4% della materia e dell’energia dell’Universo e’ costituito di materia barionica --> C’e’ quindi il problema della Materia Oscura (circa 21%) e dell’Energia Oscura (circa 75%)Materia Oscura: molti candidati particellari ricercati agli acceleratori e nei raggi cosmici e molte ricerche dirette, specialmente nei laboratori sotterranei (come il Gran Sasso)Diversi tipi di rivelatori di onde gravitazionali in funzione e/o in fase di miglioramento della loro sensibilita’.

Gli esperimenti principali sono molto grossi e costosi !

Non conosciamo il 95% della materia e dell’energia dell’Universo : e’ quindi necessaria molta attivita’ di ricerca !

Le Astro-particelle

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