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Masse e Oscillazioni dei Neutrini Lezione IV Corso di Fisica Nucleare e Subnucleare III Lucio Ludovici 2 dicembre 2008
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Masse e Oscillazioni dei Neutrini Lezione IVlaveder/unbound/scuole/2008/roma-08/... · Masse e Oscillazioni dei Neutrini Lezione IV Corso di Fisica Nucleare e Subnucleare III Lucio

Jun 08, 2020

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Masse eOscillazioni dei Neutrini

Lezione IV

Corso di Fisica Nucleare e Subnucleare III

Lucio Ludovici 2 dicembre 2008

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 2

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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 3

Fisica dei neutrini: 80 anni (portati bene)1930 ν existence postulated Pauli1934 ν interaction theory and name Fermi1938 Solar ν flux calculation Bethe1946 Idea of  chlorine detector Pontecorvo

1956 ν interactions observed Reines & Cowan1957 Idea of ν oscillation Pontecorvo1958 Left-handed ν Goldhaber1962 2 ν's, νµ ,νe Lederman, Schwartz & Steinberger

1968 Solar neutrino deficit Davis1973 ν NC interactions observed Gargamelle1975 and the third ν Perl1986 Solar deficit again, atmospheric(?) Kamiokande1987 ν from SN1987A Kamiokande, IMB1989 3 light neutrino families LEP Collaborations1991 Solar deficit again Gallex, SAGE1998 Atmospheric ν oscillation Super-Kamiokande

2002 Solar ν oscillation confirmed SNO, KamLand

2005 Atmospheric  ν oscillation confirmed K2K

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 4

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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 5

Atmospheric neutrinos

+

e+ +

15 Km

e

cosmic ray

+ +

ee

ee

R(E) =          2 (e+e)

(+)

E <1GeV

Eν (GeV)

ee

±20% ±5%

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 6

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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 7

νµ/νe Ratio (of Ratios)P

rime

(contrasta

nti)

indicazio

ni

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 dal rapporto νµ/νe (Kamiokande)

Indicazioni contrastanti negli anni '80

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

(1989)

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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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 9

Super-Kamiokande

50,000 ton water Cherenkov detector22.5 kton fiducial volume1000m 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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 11

20'' PMT by Hamamatsu Photonics

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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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>

<<

>>sin22θ > 0.93

2.0<∆m2<3.0×10-3eV2

at 90% CL

Zenith angle dependence

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More Super-Kamiokande samples of atmospheric neutrinos

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

Che distanza? Quale energia ?

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 16

K2K Conceptual Layout

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 τND

π monitor

µ monitor

Signature of neutrino oscillation

1. Reduction of νµ events

2. Distortion of νµ energy spectrum

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 17

K2K Layout and Strategy

π+µ+

Al Target+Horn200m

decay pipe

SK100m ~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

NDCombined (1KT,SciFi,SciBar) fit of Pµ,θµ distributions

Near detector flux Far detector flux

Beam MCPIMONHadronic modelsHadropr. exp.

∆θp

µp

SciBar

1 kton

1KT

Sci

Fi

Sci

Bar

MR

D

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K2K Result

TDIFF. (µs)

1.5µs

Decay electron cut.≥20MeV Deposited Energy

No

Act

ivity

in O

uter

Det

ecto

rE

vent

Ver

tex

in F

iduc

ial V

olum

eM

ore

than

30M

eV D

epos

ited

Ene

rgy

±5µs

±500µs

Tspill GPSSK

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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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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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 Sun power comes from the pp reaction: 4 p→ 4He+2e++2νe+26.7 MeV

L = 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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 22

Spettro dei neutrini solariFl

ux   

(cm

­2 s­1

/MeV

)

ChlorineHomestakee + 37Cl →37Ar + e-

GalliumSAGE, Gallex,GNOe + 71Ga →71Ge + 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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 23

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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 24

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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 25

Reactor oscillation experimentsSeveral generations of short baseline reactor experiments have set upper limitsChooz (France) set limits on at <E>~6MeV, L~1Km for large and for maximal mixing

m2 = 5.5x10-5 eV2

sin2 2 = 0.833 Kamland in Kamioka mine (Japan), first long baseline reactor experiment

Sensitive to many reactors with <L>~175Km

Observed/Expected = 0.611 ± 0.085 ± 0.041

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 26

Kamland results (2008)

Best oscillation fit simultaneously to Kamland and solar neutrino data:

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 27

Oscillation data overview

Decades of experimental and theoretical efforts !

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 28

Global fits to oscillation data

A coherent and consistent global picture emerged.

Global fit of neutrino oscillation experiments gives

Still unknown , mass hierarchy, CP violation phase

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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 29

Compiti a casa per i prossimi O(20) anni

➢ Quanto vale il terzo angolo di mixing θ13

?

➢ 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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2 dicembre 2008 Lucio Ludovici 30

“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 ?