Oscillazioni dei neutrini - Programma

Richiami sull'equazione di Dirac, proiezioni chirali, equazione di Weyl.Chiralità ed elicità. Neutrini di Majorana. Massa di Dirac e di Majorana. Meccanismo dell'altalena (see-saw).Matrice di mescolamento per tre famiglie. Fasi di Dirac e di Majorana.Oscillazioni nel vuoto per tre famiglie. Violazione di CP.Caso limite di due famiglie. Formule approssimate: one mass dominance.Interpretazione del plot Dm2 vs sin22q.Valore sperimentale dei parametri della matrice di mixing.I neutrini atmosferici. Super-Kamiokande. K2K.

Referenze:

M.Fukugita, T.Yanagida "Physics of neutrinos and Application to Astrophysics" -Ed. Springer Verlag (2003)K.Zuber, "Neutrino Physics" - Ed. IOP publishing (2004)

Dal PDG “Review of Particle Physics (http://pdg.lbl.gov/2005/reviews/contents_sports.html):Neutrino mass, mixing, and flavor change (B.Kayser, 2003)Understanding Two-Flavor Oscillation Parameters and Limits (D.E.Groom, 2002)

Standard rock density: 2.65 g/cm3

At 12,000 mwe muon from neutrino interactions ~ cosmic ray induced muons

CR Induced muon fluxCosmic rays flux

Atmospheric neutrinos

+

e+ +

15 Km

e

cosmic ray

+ +

ee

ee

R(E) =          2 (e+e)

(+)

E <1GeV

En (GeV)

ee

20% 5%

nm/ne Ratio (of Ratio)

L/E dei neutrini atmosferici

qDOWNWARD

(~15 Km)

UPWARD(~13,000 Km)

HORIZON(500 Km)

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

Super-Kamiokande

50,000 ton water Cherenkov detector

22.5 kton fiducial volume

1000m underground (2700 m.w.e.)

11,146 20-inch PMTs for inner detector

1,885 8-inch PMTs for outer detector

~40m

~40m

1Ring e-like

1Ring m-like

20'' PMT by Hamamatsu Photonics

Detection of Atmospheric Neutrinos

Contained events

Interaction in the rock

Upward through-

going muons

Upward stopping

muons

e or m

Fully Contained (FC)

Partially Contained (PC)

No hit in Outer Detector

m

One cluster in Outer Detector

>

<<

>>

Zenith angle dependence

Strong evidence (1998). Compelling motivation for an independent cross- check at a controlled neutrino source. K2K: long-baseline experiment “KEK to Kamioka”.

sin22q > 0.932.0<Dm2<3.0×10-3eV2

at 90% CL

More samples...

K2K Layout and Strategy

+m

Al Target+Horn200m

decay pipe

SK100m ~250km

nm

12GeV protons

~1011 nm/2.2sec (/10m10m) ~106 nm/2.2sec(/40m40m)

~1 event/2days

n

monitor m monitor

NDCombined (1KT,SciFi,SciBar) fit of Pm,qm distributions

Near detector fluxFar detector flux

Beam MCPIMONHadronic modelsNew: Harp

Preliminary

Dqp

m

p

SciBar

1 kton

1KT

Sci

Fi

Sci

Bar

MR

D

K2K Result

TDIFF. (ms)

1.5ms

Decay electron cut.20MeV Deposited Energy

No

Act

ivit

y in

Out

er D

etec

tor

Eve

nt V

erte

x in

Fid

ucia

l Vol

ume

Mor

e th

an 3

0MeV

Dep

osit

ed E

nerg

y

5ms

500ms

Tspill GPSSK

ToF=0.83ms

56.8 45 Multi Ring

9 1-R e-like

90.8 58 1-R m-like

99.0 67 1-Ring

155.9112FC 22.5kt

MCDATAK2K

8.2

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

Absolute Deficit3.1s

Oscillation

No oscillation

Enrec (GeV)

sin22q

Dm2

(eV

2)

10-4

10-3

10-2

10-1Best fit value (all region) sin22q = 1.19 0.23 Dm2 = (2.55 0.40)x10-3eV2

(in physical region) sin22q = 1.0 Dm2 = (2.76 0.36)x10-3eV2

Shape Distortion

2.8s

No Oscillation

0.003%4.2s

Enrec=

(mN-V)Em-mm2/2+mNV-V2/2

(mN-V)-Em+pmcos qm

Oscillation Analysis

Total Number of neutrino events

Reconstructed Enrec spectrum shape for 1-ring m-like events

Systematic error terms, fx

)(),2sin,(),2sin,(

),2sin,(22

2

xsyst

xshape

xnorm

x

fLfmLfmL

fmL

DD

D

qq

q

Systematic error terms include: normalisation, flux, nonQE/QE ratio, pion monitor and beam MC constraints, Super-K systematic uncertainties.

Disappearance & Shape

sin22qsin22q

Dm2[e

V2]

Dm2[e

V2]

NSK (#nm) En shape

Allowed regions from Allowed regions from nnmm disappearance and disappearance and distortion of Edistortion of Enn spectrum are consistent spectrum are consistent

Compiti a casa per i prossimi O(10) anni

Quanto vale il terzo angolo di mixing q13

?

Ci sono neutrini sterili ?

I neutrini sono fermioni di Dirac o di Majorana ?

Nei leptoni c'è violazione di CP ?

La leptogenesi spiega perchè siamo qui ?

Quali sono le proprietà elettromagnetiche dei neutrini ?

Osserveremo mai i neutrini “relic” del Big Bang ?

Saremo sorpresi da risultati inattesi ?

La fisica dei neutrini è un campo di ricerca estremamente

attivo e interessante.

Gli ultimi “neutrino Nobel Prizes” :

1988 Lederman, Schwartz e Steinberger

1995 Reines

2002 Davis e Koshiba

I prossimi anni ci porteranno con tutta probabilità nuovi

risultati.

2009 ?