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Masse e Oscillazioni dei Neutrini Lezioni 5-6 Corso di Fisica Nucleare e Subnucleare II (6cf) Lucio Ludovici 20 maggio 2010 [email protected]

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Masse eOscillazioni dei Neutrini

Lezioni 5-6

Corso di Fisica Nucleare e Subnucleare II (6cf)

Lucio Ludovici20 maggio 2010

[email protected]

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 2

1. I raggi cosmici e i neutrini atmosferici. Le oscillazioni dei neutrini atmosferici. Super-Kamiokande e K2K.

2. I neutrini dal sole. Le oscillazioni dei neutrini solari. Homestake, SNO.

3. Cenni agli esperimenti in corso e le prospettive future.

Programma lezione 7-8

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 3

Dalla teoria agli esperimenti

“ [...] there is no practically possible way of observing the neutrino”

The “Neutrino”H.A. Bethe, R.E. Peierls, Nature 133 (1934) 532

Nel 1934 la sezione d'urto neutrino-nucleone è calcolata essere dell'ordine di 10-44 cm2 per neutrini di qualche MeV, cioè 19 ordini di grandezza più piccola della sezione d'urto fotone-protone a energie corrispondenti.

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 4

Fisica dei neutrini e oscillazioni1930 ν existence postulated Pauli

1934 ν interaction theory and name Fermi

1938 Solar ν flux calculation Bethe

1946 Idea of chlorine detector Pontecorvo

1956 ν interactions observed Reines & Cowan

1957 Idea of ν oscillation Pontecorvo

1958 Left-handed ν Goldhaber1962 2 ν's, νµ ,νe

Lederman, Schwartz & Steinberger

1968 Solar neutrino deficit Davis

1973 ν NC interactions observed Gargamelle

1975 and the third ν Perl

1986 Solar deficit again, atmospheric(?) Kamiokande

1987 ν from SN1987A Kamiokande, IMB

1989 3 light neutrino families LEP Collaborations

1991 Solar deficit again Gallex, SAGE

1998 Atmospheric ν oscillation Super-Kamiokande

2002 Solar ν oscillation confirmed SNO, KamLand

2005 Atmospheric ν oscillation confirmed K2K

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 5

Standard rock density: 2.65 g/cm3

At 12,000 MWE (meter water equivalent) deep undergroundmuon from neutrino interactions ~ cosmic ray induced muons

CR Induced muon fluxCosmic rays flux

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 6

Atmospheric neutrinos

+

e+ +

15 Km

e

cosmic ray

+ +

e e

e e

R(E) = 2 (

e+

e)

(+)

E <1GeV

Eν (GeV)

ee

±20% ±5%

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 7

Back of envelope calculation of atmosphericneutrino events in 1 kt detector

Flux Φ ~ 2 cm-2 s-1

Cross-section σ ~ 0.5 10-38 cm2 Target mass M ~ 6 1032 nucleons/1ktZ/A I ~ ½Time T ~ 3.15 107 s/year

Ninter =Φ(cm-2 s-1) •σ(10-38 cm2) •M(nucleons/1kt)• I•T(s/year) ~ 100 events/kt/year

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 8

νµ/νe Ratio (of Ratios)

Prim

e ( contras tanti) indicaz ioni

Confermate da SuperKamiokande

(1998)

Mont Blanc (150t)

Frejus (900t)

Morton salt mines (8000t)

(1982)

(1984)

(1986)

Kamioka mines (3000t)

Soudan mines(960t)

Kamioka mines (50,000t) (1996)

(1985)

Prima indicazione del deficit di νµ dalla misura del rapporto νµ/νe (Kamiokande)

Indicazioni contrastanti negli anni '80

Osservazione dell'asimmetria up-down (Super-Kamiokande, 1998)

(1989)

Phys.Rev.Lett.81:2016-2019,1998hep-ex/9806038

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 9

L/E dei neutrini atmosferici

θDOWNWARD

(~15 Km)

UPWARD(~13,000 Km)

HORIZON(500 Km)

Ampio intervallo di L/E: E~0.2 →100 GeV L~15 →13,000 Km

∆m2 = 3 10-3 eV2

∆m2 = 3 10-1 eV2

∆m2 = 3 10-5 eV2

sin2 2θ= 1 E= 1 GeV

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 10

Super-Kamiokande

50,000 ton water Cherenkov detector22.5 kton fiducial volume1000 m underground (2700 m.w.e.)11,146 20-inch PMTs for inner detector1,885 8-inch PMTs for outer detector

~40m

~40m

1Ring e-like

1Ring µ-like

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20'' PMT by Hamamatsu Photonics

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 13

Detection of Atmospheric Neutrinos

Contained events

Interaction in the rock

Upward through-going muons

Upward stopping muons

e or µ

Fully Contained (FC)

Partially Contained (PC)

No hit in Outer Detector

µ

One cluster in Outer Detector

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 14

More Super-Kamiokande samples of atmospheric neutrinos

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Zenith angle dependence

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 16

Long Baseline per confermare le oscillazioni dei neutrini atmosferici ad un acceleratore

Che distanza? Quale energia ?

∆m2L/E

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 17

K2K Conceptual Layout

π+

µ+Al Target +

Horn 200mdecay pipe

SK

100m ~250km

νµ

12GeV protons

~1011 νµ/2.2sec

(/10m×10m)

~106 νµ/2.2sec

(/40m×40m)

~1 event/2days

ντ

ND

π monitor

µ monitor

Signature of neutrino oscillation

1. Reduction of νµ events

2. Distortion of νµ energy spectrum

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 18

K2K Layout and Strategy

π+µ+

Al Target+Horn200m

decay pipe

SK

100m ~250km

νµ

12GeV protons

~1011 νµ/2.2sec (/10m×10m) ~106 νµ/2.2sec(/40m×40m)

~1 event/2days

ν τ

π monitor µ monitor

ND

Combined fit of Pµ,θµ distributions at ND

Near detector flux Far detector flux

Beam MCPIMONHadronic modelsHadropr. exp.

∆θp

µp

1KT

SciF

iS

ciBar

MR

D

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 19

K2K Result

TDIFF. (µs)

.1 5µs

Decay electron cut.≥20MeV Deposited Energy

No A

ctivity in Outer D

etectorE

vent Vertex in F

iducial Volum

eM

ore than 30MeV

Deposited E

nergy

±5µs

±500µs

Tspill GP

S SK

ToF=0.83ms

56.8 45 Multi Ring

9 1-R e-like

90.8 58 1-R µ-like

99.0 67 1-Ring

155.9112FC 22.5kt

MCDATAK2K

8.2

+11.5 (7.4%)-10.2 (6.5%)

Absolute Deficit3.1σ

Oscillation

No oscillation

Eνrec (GeV)

sin22θ

∆m

2 (e

V2 )

10-4

10-3

10-2

10-1Best fit value (all region) sin22θ = 1.19 ± 0.23 ∆m2 = (2.55 ± 0.40)x10-3eV2

(in physical region) sin22θ = 1.0 ∆m2 = (2.76 ± 0.36)x10-3eV2

Shape Distortion

2.8σ

No Oscillation

0.003%4.2σ

Eνrec =

(mN-V)Eµ-mµ2/2+mNV-V2/2

(mN-V)-Eµ+pµcos θµ

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 20

Disappearance & Shape

sin22θ

NSK (#νµ)Eν shape

Allowed regions from Allowed regions from ννµµ disappearance and disappearance and distortion of Edistortion of Eνν spectrum are consistents spectrum are consistents

sin22θ

∆m2[e

V2]

∆m2[e

V2]

ABSOLUTE DEFICIT ENERGY SPECTRUM DISTORTION

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 21

Minos (Fermilab→Soudan)

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Neutrino from the SunThe Standard Solar Model (SSM) predicts the power radiated by the Sun from fusion reactions in its core

98.5% of the power comes from the pp reaction: 4 p→ 4He+2e++2νe+26.7 MeVL = 3.9 1026 Js-1

D = 1.5 1011 m Φ

= 2L

/Q • (1/4πD2) ≈ 6.5 1010 cm-2 s-1

Q = 26.7 MeV = 4.3 10-12 J

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 23

SNU – Solar Neutrino Unit

Per avere ~1 interazione al giorno sono necessari O(1030 ) nuclei bersaglio,cioè O(106) mol ovvero rivelatori di masse dell'ordine del kt

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 24

Spettro dei neutrini solari

Flu

x (cm-2

s-1/M

eV)

ChlorineHomestake e + 37 Cl →37 Ar + e-

GalliumSAGE, Gallex,GNO e + 71 Ga →71 Ge + e-

WaterKamiokande, SuperKx + e- → x + e- (ES)

D2OSNOx + e- → x + e- (ES) e + d → p + p + e- (CC)x + d → n + p + x (NC)

E(MeV)

±10%

±1.5%

±20%-16%

pep

8B

hep

±1%

±10% 7Be

7Be

??

pp

Water, D2O

ChlorineGallium

Bahcall-Pinsonneault 2000

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 25

8B 7Be pp, pep CNO experiments

7.7 SNU+1.3-1.1

Cl H2OGa

129 SNU+9

-7

2.58±0.23Homestake

SAGE

Gallex +

GNO

75+8-7 74+7

-6

1.0+0.20- 0.16

0.47±0.02SuperK

(ES)

0.54±0.08

Kamiokande(ES)

0.35±0.03SNO (CC)

D2O

1.0+0.20- 0.16

SNO (NC)

1.01±0.12

Misure del flusso dei neutrini solari

1 SNU = 10-36 captures per target atom

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Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

1000 tonnes D2O

12 m Diameter Acrylic Vessel

1700 tonnes Inner Buffer H2O

9500 PMTs, 60% coverage

5300 tonnes Outer Shield H2O

Urylon Liner and Radon Seal

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 27

x + e- → x + e-

e + d → p + p + e-

x + d → n + p + x

ES

CC

NC

In SNO (D2O) as in SK (H

2O)

Mainly e but also , (1:6)

Strong sensitivity

Good energy measurement

e only

Weak directionality: 1-1/3cos()

Equally sensitive to all

Measure the total 8B flux

Neutrino interactions in SNO

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 28

SNO: total flux as expected from SSM● NC rate as expected from SSM (all neutrinos)● CC rate (only νe) is 0.31 SSM● ES rate is consistent with Super-Kamiokande and oscillation into νµ,ντ

Neutrino differents from νe coming from the Sun ! (2002)

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 29

Oscillation data overview

Decades of experimental and theoretical efforts !

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 30

Global fits to oscillation data

A coherent and consistent global picture emerged.

Global fit of neutrino oscillation experiments gives

Still unknown ,(hints it might be just below the present limit) mass hierarchy, CP violation phase

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 31

Compiti a casa per i prossimi O(20) anni Quanto vale il terzo angolo di mixing θ

13 ?

Ci sono neutrini sterili ?

I neutrini sono fermioni di Dirac o di Majorana ?

Nei leptoni c'è violazione di CP ?

E' la leptogenesi l'origine dell'asimmetria materia/antimateria ?

Quali sono le proprietà elettromagnetiche dei neutrini ?

Osserveremo mai i neutrini “relic” del Big Bang ?

Saremo sorpresi da risultati inattesi ?

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20 maggio 2010 Lucio Ludovici 32

“There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.”

Kelvin, c. 1900

This is the end ?