rivelatori per neutrini ifae 2005 d’ambrosio n.. kamiokande superkamiokande kamiokande...
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Rivelatori per NeutriniRivelatori per Neutrini
IFAE 2005IFAE 2005D’Ambrosio N.D’Ambrosio N.
KamiokandeSuperKamiokande
KamiokandeSuperKamiokande
GALLEX GNO
Kamiokande SNO
SuperKamiokande
GALLEX GNO
Kamiokande SNO
SuperKamiokande
Neutrini SolariNeutrini SolariNeutrini SolariNeutrini Solari
Neutrini AtmosfericiNeutrini AtmosfericiNeutrini AtmosfericiNeutrini Atmosferici
KamiokandeSuper-Kamiokande
KamiokandeSuper-Kamiokande
Neutrini da SupernovaNeutrini da SupernovaNeutrini da SupernovaNeutrini da Supernova
K2KMINOS ICARUSOPERA T2K
K2KMINOS ICARUSOPERA T2K
Neutrini LongBaseLineNeutrini LongBaseLineNeutrini LongBaseLineNeutrini LongBaseLine
KamLANDKamLAND
Neutrini da ReattoreNeutrini da ReattoreNeutrini da ReattoreNeutrini da Reattore
Gallex / GNONeutrini Solari
Gallex / GNONeutrini Solari
SNO
Neutrini Solari
SNO
Neutrini Solari
Rivelatore al Gallio
Bassa energia < Mev
Rivelatore al Gallio
Bassa energia < Mev
Rivelatore
ad acqua pesante
Rivelatore
ad acqua pesante
Neutrini solari (νe)Meccanismi di produzione Spettro energetico
Tecniche sperimentali:
Rivelatori Cherenkov:SuperKamiokande, SNO
Esperimenti radiochimici: Davis, Sage, Gallex
Neutrini solari (νe): esperimenti radiochimici. Gallex/GNO @ GranSasso
30.3 T di gallio, soluzione concentrata di GaCl3-HCl
71Ga + νe -> 71Ge + e- Si conta il numero di atomi di 71Ge utilizzando il loro decadimento radioattivo
Soglia: 233 KeV
Possibilità di rilevare neutrini a bassa energia usando la fusione p-p
Gallex-Sage results
1000 T D2O (Acqua pesante)
12 m diametro contenitore acrilico
9500 20 cmPMTs (~60% photocathode coverage)
1700 T inner shielding H2O
5300 T outer shielding H2O
Urylon liner radon seal
Profondità: 2092 m
Neutrini solari (νe): SNO Sudbury Neutrino Sudbury Neutrino
ObservatoryObservatory(Creighton mine, Canada)(Creighton mine, Canada)
Sudbury Neutrino ObservatorySudbury Neutrino Observatory
Neutrino Reactions in SNO Neutrino Reactions in SNO
-good measurement of e energy spectrume only
- equal cross section for all active flavors
NCxx
npd
ES e−e− x
- low statistics - mainly sensitive to e, some and
- strong directional sensitivity
CC e−ppd e
x
Neutrini da reattore:KamLAND
KamLANDKamioka Liquid scintillator AntiNeutrino Detector
1 KTon di scintillatore
1325 17” fast PMTs
554 20” large area PMTs
34% photocathode coverage
•H2O Cerenkov veto counter
1000 m in profondità
(miniera di Kamioka, Giappone)
Neutrini da reattore: KamLAND
I reattori Nucleari sono una sorgente molto intensa di νe derivanti dal decadimento beta dei neutroni
reazione inversa
Gli eventi vengono segnati dalla coincidenza in tempo, spazio ed energia della cattura del neutrone
p + n d + γ (2.2 MeV)
νe + p e+ + n τ≈200μs
Cerca il deficit di νe e la distorsione
dello spettro di energia alla distanza L
Cerca il deficit di νe e la distorsione
dello spettro di energia alla distanza L
KamLAND
Sul grafico è riportata la distribuzione L0/E (L0 180 km) nei casi di :Decadimento del neutrinoDecoerenza del neutrinoOscillazione del neutino
Super-KamiokandeNeutrini Atmosferici e Solari
Super-KamiokandeNeutrini Atmosferici e Solari
K2KKEK -> Super-Kamiokande
Neutrini Long BaseLine
K2KKEK -> Super-Kamiokande
Neutrini Long BaseLine
T2KJ-PARK-> Super-Kamiokande
Neutrini Long BaseLine
T2KJ-PARK-> Super-Kamiokande
Neutrini Long BaseLine
Rivelatore ad acqua
Effetto Cerenkov
Rivelatore ad acqua
Effetto Cerenkov
Fascio di neutrini
da acceleratore
(EE = 1,3 Gev = 1,3 Gev)
Fascio di neutrini
da acceleratore
(EE = 1,3 Gev = 1,3 Gev)
Fascio di neutrini
da acceleratore
(EE0,7 Gev0,7 Gev)
Fascio di neutrini
da acceleratore
(EE0,7 Gev0,7 Gev)
Neutrini Atmosferici
SuperKAMIOKANDE
50,000 T di acqua pura
(Fid. Mass is 22,500 T)
11,146×(50cm φ PMT) : Rivelatore Interno
40% photo-cathode coverage
1,885×(20cm φ PMT) : Rivelatore esterno
1000 m in profondità (miniera di Kamioka)
Il rivelatore esterno è utilizzato per
poter identificare i muoni provenienti
dall’esterno ed anche per schermare
il rivelatore interno dai raggi gamma e
neutroni provenienti dalla roccia
Luce CerenkovLuce Cerenkov
n
1
c
v
1
))(/1(cos
2
1
n
mp
n
threshold
c
Se le particelle si muovono più veloci della luce in quel mezzo, emettono una “shock wave” di luce
Per l’acqua, n(280-580nm)~1.33-6
Angolo di soglia: 42o
IndentificazioIndentificazionene
delle delle particelleparticelle
Effetto Effetto CerenkovCerenkov
ν
electron
Photomultiplier tube (PMT)
Eventi da Neutrino atmosferico SKEventi da Neutrino atmosferico SK
FC
(fully contained)
PC
(partially contained)
ν
ν
・ Both CC e and
・ Need particle identification to separate e and
・~ CC
~ 12000 events (Super-K)
~ 900 events (Super-K)
Upward
going muon
ν
・~ CC ~ 1900 events (through, SK)~ 420 events (stopping, SK)
Esempi di eventiEsempi di eventi
Single Cherenkov ring electron-like event
Single Cherenkov ring muon-like event
Color: timing
Size: pulse height
Outer detector (no signal)
• Conferma del fenomeno delle
oscillazioni osservato con
i neutrini atmosferici (SK)
• Misura più precisa dei
parametri dell’oscillazione
(∆m2, sinsin2222
• Fascio di Fascio di
•Spettro di energia simile a Spettro di energia simile a
quello dei neutrini quello dei neutrini
atmosfericiatmosferici
•Long Baseline (250 Km)Long Baseline (250 Km)
K2K
K2k K2k Near detectorsNear detectors
1KT Acqua Rivelatore Cerenkov1KT Acqua Rivelatore Cerenkov Fibre Scintillanti/Acqua Rivelatore Fibre Scintillanti/Acqua Rivelatore
(SciFi)(SciFi) Muon Range DetectorMuon Range Detector (MRD) (MRD)
• L’analisi dei dati ha confermato il deficit precedentemente misurato:
108 eventi misurati
150(+11,6, -10,0) eventi attesi
Spettro di energia compatibile
(deviazioni significative tra near e far detector)
• L’analisi combinata con i dati del near detector dà una probabilità di 10-4 che ciò dipenda da fluattuazioni statistiche
K2K
250km
JAERIT2K
T2KTokai to Kamioka
• Realizzazione del nuovo acceleratore per protoni da 50 Gev (J-PARK)
• Sarà possibile ottenere un fattore 100 di incremento nel rate degli eventi
I dati sul neutrino atmosferico di SK sono spiegati con I dati sul neutrino atmosferico di SK sono spiegati con l’oscillazione l’oscillazione , with: , with:
mm22=1.9 – 3.0 × 10=1.9 – 3.0 × 10-3-3 eV eV2 2
sinsin2222 > 0.90 (SK L/E analysis) > 0.90 (SK L/E analysis) Recentemente l’analisi di L/E ha mostrato evidenza di un Recentemente l’analisi di L/E ha mostrato evidenza di un
segnale di “oscillazione”segnale di “oscillazione”
Nessuna evidenza di oscillazioni Nessuna evidenza di oscillazioni ee : da investigare : da investigare
K2K ha confermato le oscillazioni del neutrino usando un K2K ha confermato le oscillazioni del neutrino usando un fascio da acceleratore. fascio da acceleratore.
I risultai di SK e K2K sono in buon accordoI risultai di SK e K2K sono in buon accordo T2K partirà nel 2009 è permetterà di indagare più a T2K partirà nel 2009 è permetterà di indagare più a
fondo il fenomeno fondo il fenomeno
Sommario: Super-Kamiokande, K2K, T2K
Oscillazione dei NeutriniEsperimenti Long Base Line
Numi-MINOS CNGS : OPERA/ICARUS
ICARUS Imaging Cosmic and Rare Underground Signals
Programma di Fisica:
Neutrini Solari, Atmosferici e da Supernova
Esperimento Long Baseline ricerca diretta di νμ -> ντ e νμ -> νe
Ricerca del decadimento del protone
Densità 1.4 g/cm3
Lunghezza di radiazione 14 cmLung. di interazione 80 cmdE/dx(mip) = 2.1 MeV/cmT=88K @ 1 bar
Drifting
Ionizing Track
e-
light
Circa 12000 coppie electrone-ione prodotte per mm (mip track)
La luce emessa dà il t0
Solo gli elettroni contribuiscono al segnale osservato, poichè la loro mobilità è maggiore di quella degli ioni
Con Argon puro -> drift degli elettroni su distanze macroscopiche
Bersaglio e rivelatore allo stesso tempo
ICARUS
Rivelatore ad Argon Liquido:
InductionPlane I
InductionPlane II
ICARUS
Camera a Bolle Elettronica
X,Y, time
ICARUS
eνν τ
μνν h- ν h0 ν h- h+ h- n h0 ν
Reazione primaria: ντ + Ar -> τ + jet
CNGS : νμ ντ oscillations
CNGS : νμ νe oscillations
Reazione primaria: νe + Ar -> e- + jet
Una Seconda-Generazione di esperimento per ricerca del decadimento del protone e un osservatorio per Neutrini al Laboratorio del Gran Sasso
ICARUS T3000 + Muon Spectrometer
OPERA Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus
Long baseline: 732 km
Cern Neutrino beam to Gran Sasso
Ricerca di oscillazioni di neutrino nm ® nt mediante osservazione
diretta dell’apparizione del in un fascio puro di
…………….. - + X oscillazione interazione CC
90%95%99%
68%95%99%
68%95%99%
Quadro sperimentale (neutrini atmosferici)
~ 0.6
mm
eeeeKiKi
nknkhhn n nnMultiprMultipr
ongong
Per rilevare il decadimento del è necessaria una risoluzione micrometrica
Il rivelatore OPERARivelatore IBRIDO (elettronica + bersaglio Rivelatore IBRIDO (elettronica + bersaglio
Pb/emulsioni):Pb/emulsioni):• 2 supermoduli – Massa rivelatore 1766 Ton.2 supermoduli – Massa rivelatore 1766 Ton.• 2 Spettrometri a Magnete con RPC & Drift tubes2 Spettrometri a Magnete con RPC & Drift tubes• 2 x [31 Target Tracker and Target Walls]2 x [31 Target Tracker and Target Walls]• 206,336 “ECC bricks” (Pb/Emulsione)206,336 “ECC bricks” (Pb/Emulsione)• 12 Mil. di fogli di emulsione 12 Mil. di fogli di emulsione
Sala C dei LNGS
Basato sul concetto del
Emulsion Cloud Chamber (ECC)
Basato sul concetto del
Emulsion Cloud Chamber (ECC)
8 m
Target Trackers
Pb/Em. target
Rivelatore Elettronico Seleziona il Brick dell’interazione
OPERAOPERAinin RunRun
Analisi delle Emulsioni Ricerca del vertice
Estrazione del
Brick selezionato
Pb/Em. BRICK
8 cm
Ricerca del decadimento
spectrometer
Lead
1 mm
EMULSIONE(42 micron)
Basato sul concetto del
Emulsion Cloud Chamber (ECC)
Basato sul concetto del
Emulsion Cloud Chamber (ECC)
Unità di base il BrickUnità di base il Brick
Analisi delle Emulsioni : Microscopi Analisi delle Emulsioni : Microscopi automatizzatiautomatizzati
Attuali prestazioni del ESS• Velocità di scanning ~ 20 cm2/h/lato• Efficienza di ritrovamento micro-traccia ~ 95%• Allineamento lastra-lastra (8 GeV/c s) ~ 0.5 m• Risoluzione angolare ~ 2 mrad
• Standardized Optics (Nikon) and Standardized Optics (Nikon) and Mechanics (Micos)Mechanics (Micos)
•CMOS camera up to 500 fpsCMOS camera up to 500 fps• State-of-art Image processor State-of-art Image processor (Matrox Odyssey) and PCI-X (Matrox Odyssey) and PCI-X workstationworkstation• NewNew asyncronous asyncronous DAQ software DAQ software
ESS: European scanning system
(analogo sistema sviluppato in Giappone)
D’Ambrosio N., Nucl. Instr. and Meth A 525 (2004) 193–198
Grani
frame
2-3 m
Video sequenza di una traccia in emulsione
Sequenza di 20 immagini (step 2 mm su 42 mm
di emulsione
Sequenza di 20 immagini (step 2 mm su 42 mm
di emulsione
emulsione
emulsione
Supporto plastico
200 m
Obbiettivo
0 m
+ 21 m
+ 36 m
+ 54 m dal vertice
100 m
Piani focali differenti Profondità focale ~ 3 m
Emulsione NucleareEmulsione NucleareVertice da interazione diVertice da interazione di
(CHORUS)(CHORUS)
Le tracce interessanti appaiono come punti
MINOS
Detectors located on NuMI beam axisNear Detector (1kt) is located at Fermilab, ~1km downstream of targetFar Detector (5.4 kt) is 735km away in Soudan mine, Minnesota
Near and Far detectors have the same basic design: steel-scintillator sandwich2.54 cm of steel + 1cm of solid scintillator (U and V)alternate planes have orthogonal strip orientations
Misura del rapporto tra lo spettro di energia del neutrino nel far detector (oscillated) rispetto a quello nel near detector (unoscillated)
Long Baseline Experiments: MINOS
1 kt282 planes3.8m highCalorimeter section: first 121 planesSpectrometer section: rear 161 planes, reduced sampling
5.4 kt485 planes detector composed of 2 modules, 15m long, 8m highactive veto shield (scintillator-modules)
NEAR detector FAR detector
Demonstrate oscillation behaviour confirm flavour oscillations describe data
provide high statistics discrimination against alternative models: decoherence, n decay, extra dimensions,etc.
Precise Measurement of Δm23
Search for sub-dominant νμ ve
oscillations
~10 %
MINOS is the 1st large deep underground detector with a B-field
+
first direct measurements of vs oscillations from atmospheric neutrino events
Long Baseline Experiments: MINOS
Long Baseline Experiments: MINOS
EEpp
(GeV)(GeV)
PowePowerr
(MW)(MW)
BeaBeamm
〈〈 EE
〉〉(GeV)(GeV)
LL
(km)(km)
MMdetdet
(kt)(kt)
CCCC
(/yr)(/yr)
ee
@peak@peak
K2KK2K 1212 0.0050.005 WBWB 1.31.3 250250 22.522.5 ~50~50 ~1%~1%
MINOS(LE)MINOS(LE) 120120 0.40.4 WBWB 3.53.5 730730 5.45.4 ~2,500~2,500 1.2%1.2%
CNGSCNGS 400400 0.30.3 WBWB 1818 732732 ~2~2 ~5,000~5,000 0.8%0.8%
T2K-IT2K-I 5050 0.750.75 OAOA 0.70.7 295295 22.522.5 ~3,000~3,000 0.2%0.2%
NONOAA 120120 0.40.4 OAOA ~2~2 810?810? 5050 ~4,600~4,600 0.3%0.3%
C2GTC2GT 400400 0.30.3 OAOA 0.80.8 ~120~12000
1,0001,000??
~5,000~5,000 0.2%0.2%
T2K-IIT2K-II 5050 44 OAOA 0.70.7 295295 ~500~500 ~360,00~360,0000
0.2%0.2%
NONOA+PDA+PD 120120 22 OAOA ~2~2 810?810? 50?50? ~23,000~23,000 0.3%0.3%
BNL-HsBNL-Hs 2828 11 WB/OAWB/OA ~1~1 25402540 ~500~500 ~13,000~13,000
SPL-FrejusSPL-Frejus 2.22.2 44 WBWB 0.320.32 130130 ~500~500 ~18,000~18,000 0.4%0.4%
FeHoFeHo 8/1208/120 ““4”4” WB/OAWB/OA 1~31~3 12901290 ~500~500 ~50,000~50,000
I
II
III
Performances attesePerformances attese
signalsignal((mm22 = 1. = 1.99 x 10 x 10-3-3
eVeV22))
signalsignal((mm22 = 2. = 2.44 x 10 x 10-3-3 eV eV22))
signalsignal((mm22 = 3.0x 10 = 3.0x 10-3-3
eVeV22))
BKGDBKGD
OPERAOPERA1.8 kton fiducial1.8 kton fiducial
6.66.6 (10)(10) 10.510.5 (15.8)(15.8) 16.416.4 (24.6)(24.6) 0.70.7 (1.1)(1.1)
+ brick finding+ brick finding+ 3 prong decay+ 3 prong decay
8.08.0 (12.1)(12.1) 12.8 12.8 (19.2)(19.2) 19.919.9 (29.9)(29.9) 1.01.0 (1.5)(1.5) 0.80.8 (1.2)(1.2)
(…) con l’ upgrade del fascio CNGS (X 1.5)