Il progetto NESSiEall’SPS del CERN

Maximiliano Sioli

Assemblea di Sezione – 25 giugno 2012

La fisica (standard) del neutrino

• Stato dell’arte della fisica del neutrino: il paradigma a 3 sapori– Ci sono 3 famiglie di neutrini, leggeri, con m ≤mZ (da LEP)

– Oscillano, quindi hanno massa e si mescolano(autostati massa ≠ autostati sapore)

– Conosciamo: angoli di mescolamento e differenze (quadratiche) di massa

– Non conosciamo:• Gerarchia di massa

• Fase δ (CPV)• Valore assoluto delle masse

• Natura del neutrino (Dirac vs Majorana)Fisica futura

… comunque, già di per sé, beyond the Standard Model!

La fisica di NESSiE

• Accanto a questo solido scenario aleggia nell’aria (da oltre 15 anni) lo spettro del neutrino sterile… cos’è?

• È un neutrino “non‐attivo”, senza EW couplings se non attraverso il mescolamento con i ν attivi

• Da un punto di vista teorico la sua esistenza non è per nulla sconcertante: visto che il ν ha massa, quantomeno la sua parte destrorsa (pesante) è“sterile”

• Ma a noi interessa un altro tipo di ν sterile, leggero (~eV2):– Questo sì che sarebbe sconcertante, perché troverebbe alloggio solo 

attraverso (almeno) una quarta famiglia

• Ok, ma perché pensare a queste cose se non ce n’è bisogno?Perché, sperimentalmente, siamo circondati da tutta una serie di anomalie che creano una forte tensione tra i vari risultati sperimentali e che puntano tutte nella stessa direzione!

Le anomalieLSND MiniBooNE ν e ν‐bar

Reactor ν‐bar anomaly CosmologyGallium MCi exposure

L’idea alla base del progetto

• Vogliamo fare un esperimento conclusivo– Alta luminosità

– Veloce: O(5 anni) rispetto a O(20 anni) di altri progetti

– Comparsa e scomparsa, in ν e ν‐bar mode• νe, νµ, νe‐bar, νµ‐bar

– Repliche near+far per controllo sistematica

– Accoppiamento tecnologia Lar‐TPC + spettrometro a valle:ICARUS + NESSiE

Spettrometromagnetico à la OPERA(ferro + RPC in digitale)per la misura di p e qdei muoni prodottinel LAr… o nello spettrometro stesso!ICARUS NESSiE

νµ/νe

Dove: CERN North Area

• 100 GeV primary beam fast extracted from SPS• Target station next to TCC2• Decay pipe: L =100 m, ø = 3 m• Beam dump: 15 m of Fe with graphite core, followed by μ stations• Neutrino beam angle: pointing upwards, at ‐3m in the far detector, ~5 mrad slope

Il fascio all’SPS

• 100 GeV protons, fast extraction (10.5 µs), CNGS intensity (conservative)• Sharing scenario: 2 years of ν‐bar followed by 1 year of ν

Air Core Magnet

• Nell’accoppiamento ICARUS‐NESSiE, la parte più “pregiata” dello spettro è quella soffice(per aumentare la sensitività aibassi ∆m2)

• Molto difficile misurare muoni dibassa energia con uno spettrometro di ferro magnetizzato  a bassi momenti si è dominati dal MCS e B non può essere troppo grande

• Soluzione: aggiunta di un Air Core Magnet (ACM) prima dello spettrometro di ferro

• Charge mis‐id a qualche % su tutto il range interessante

Statistica

Spettro

Air Core Magnet

• Responsabilità di progetto e realizzazione a Bologna– Campo: ~0.15 T

– Potenza < 2 MW

– Costruzione di un prototipo inscala ~1:3. Fondamentale per:

• Validazione simulazione

• Fringe field (importante per PMTdi ICARUS)

Air Core Magnet

• Varie opzioni per i rivelatori con cui equipaggare l’air‐core‐magnet:– RPC in lettura analogica

– Drift tubes

– Scintillatori à la Minerva letti da SiPM(soluzione investigata da Bologna conla partecipazione del Lab. di elettronica)

extruded triangular scintillator strips(produced for D0 and MINERvA at FermiLab), 1.7 cm height with a 3.3 cm base,  with embedded wavelength‐shifting fibers.

Passaggi fondamentali del progetto

• Physics proposal sottomesso all’SPSC in ottobre 2011[arXiv:1111.2242v1]

• Feedback positivo  suggerito un Technical proposal congiunto con ICARUS

• Nel frattempo: richiesta di cambio sito: PS SPS– Seguito intenso studio di fattibilità

• Technical proposal congiunto sottomesso all’SPSC in marzo 2012 [arXiv:1111.2242v1]

• Feedback positivo  richiesti chiarimenti

Techical proposal congiunto

Prossimi passaggi

• Extensive Answer to SPSC (12 Giugno) 

• Attesa risposta dall’SPSC del 26‐27 Giugno

• In caso favorevole, approvazione del CERN Resource Board di Settembre 

• Sottomissione a CSN2 e CTS in Ottobre 

• Inizio finanziamenti 2013

• Inizio lavori 2014

• Inizio presa dati 2016

Attività 2013 a Bologna (*)

• Progettazione Air Core Magnet 

• Rivelatori di precisione:– Realizzazione di un test completo con cosmici

– Installazione rivelatori nel prototipo

• Simulazione e ricostruzione– Proseguimento nel ruolo determinante avuto in fase di studio di fattibilità e scrittura del proposal

• Sito web esperimento

(*) in caso di esito positivo da SPSC e CSN2

Tempistica

Il t0 verrà dato dall’approvazione formale del progetto

Anagrafica e richieste ai servizi

Maximiliano Sioli – Progetto NESSiE – Assemblea di Sezione 2012 16

NESSiE‐Bologna : S. Cecchini, G. Giacomelli, G. Laurenti, G. Mandrioli, L. Patrizii (resp. locale), M. Pozzato, M. Sioli, G. Sirri, M. Spurio (FTE = 2)

Collaborazioni in corso:Progettazione meccanica: M. Guerzoni, C. Guendalini, R. MichinelliLaboratorio di elettronica: I. D’Antone, I. Lax, L. Degli Esposti

Servizio FTE PeriodoProgettazione meccanica 1.5 (0.8) a.u. 2013

Elettronica 1.0 (0.5) a.u. 2013

Officina Meccanica 6 m.u. 2013

Calcolo e reti 5 m.u. 2013

Amministrazione/Direzione Tutti! Sempre!

Note:    Tra parentesi sono indicati i valori in caso di ritardi (fascio etc.) 

Conclusioni

• Momento molto delicato per la fisica del neutrino: attese decisioni importanti su scelte a lungo termine per studio di gerarchia e CPV nel settore leptonico

• Parallelamente, insistenti segnali che il paradigma a tre neutrini potrebbe non bastare

• ICARUS‐NESSiE si inserisce perfettamente in questo contesto con un esperimento veloce e conclusivo– Un rilancio della fisica del neutrino al CERN potrebbe inoltre 

essere ancillare a progetti di più lungo termine• Bologna è stata determinante nella formulazione della 

proposta, e lo sarà in caso di approvazione:– Hardware: ACM e suoi rivelatori– Software: simulazione, ricostruzione e analisi