Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 DAmbrosio N Neutrini

Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 D’Ambrosio N.

Neutrini Solari Neutrini Atmosferici GALLEX GNO Kamiokande SNO Super. Kamiokande Neutrini Long. Base. Line K 2 K MINOS ICARUS OPERA T 2 K Kamiokande Super. Kamiokande Neutrini da Supernova Kamiokande Super-Kamiokande Neutrini da Reattore Kam. LAND

Gallex / GNO Neutrini Solari Rivelatore ad acqua pesante Rivelatore al Gallio Bassa energia < Mev SNO Neutrini Solari

Neutrini solari (νe) Meccanismi di produzione Spettro energetico Esperimenti radiochimici: Davis, Sage, Gallex Tecniche sperimentali: Rivelatori Cherenkov: Super. Kamiokande, SNO

Neutrini solari (νe): esperimenti radiochimici. Gallex/GNO @ Gran. Sasso Soglia: 233 Ke. V Possibilità di rilevare neutrini a bassa energia usando la fusione p-p ü 30. 3 T di gallio, soluzione concentrata di Ga. Cl 3 -HCl 71 Ga + νe -> 71 Ge + e- Si conta il numero di atomi di 71 Ge utilizzando il loro decadimento radioattivo

Gallex-Sage results

Neutrini solari (νe): SNO Sudbury Neutrino Observatory (Creighton mine, Canada) 1000 T D 2 O (Acqua pesante) 12 m diametro contenitore acrilico 9500 20 cm. PMTs (~60% photocathode coverage) 1700 T inner shielding H 2 O 5300 T outer shielding H 2 O Urylon liner radon seal Profondità: 2092 m

Sudbury Neutrino Observatory

Neutrino Reactions in SNO CC n e + d p + e− -good measurement of ne energy spectrum - ne only NC n x + d p + n +n x - equal cross section for all active n flavors ES n x + e− - low statistics - mainly sensitive to ne, some n and n - strong directional sensitivity

Neutrini da reattore: Kam. LAND

Kam. LAND Kamioka Liquid scintillator Anti. Neutrino Detector 1000 m in profondità (miniera di Kamioka, Giappone) 1 KTon di scintillatore 1325 17” fast PMTs 554 20” large area PMTs 34% photocathode coverage • H 2 O Cerenkov veto counter

Neutrini da reattore: Kam. LAND I reattori Nucleari sono una sorgente molto intensa di decadimento beta dei neutroni νe derivanti dal Cerca il deficit di νe e la distorsione dello spettro di energia alla distanza L νe + p e+ + n reazione b-inversa τ≈200μs p+n d + γ (2. 2 Me. V) Gli eventi vengono segnati dalla coincidenza in tempo, spazio ed energia della cattura del neutrone

Kam. LAND Sul grafico è riportata la distribuzione L 0/E (L 0 180 km) nei casi di : Decadimento del neutrino Decoerenza del neutrino Oscillazione del neutino

Super-Kamiokande Neutrini Atmosferici e Solari Effetto Cerenkov K 2 K Fascio di neutrini da acceleratore Rivelatore ad acqua KEK -> Super-Kamiokande Neutrini Long Base. Line (En = 1, 3 Gev) Gev T 2 K Fascio di neutrini Neutrini Long Base. Line (En = 0, 7 Gev) J-PARK-> Super-Kamiokande da acceleratore

Neutrini Atmosferici

Super. KAMIOKANDE 1000 m in profondità (miniera di Kamioka) 50, 000 T di acqua pura (Fid. Mass is 22, 500 T) 11, 146×(50 cm φ PMT) : Rivelatore Interno 40% photo-cathode coverage 1, 885×(20 cm φ PMT) : Rivelatore esterno 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 Cerenkov Se le particelle si muovono più veloci della luce in quel mezzo, emettono una “shock wave” di luce n n Per l’acqua, n(280 -580 nm)~1. 33 -6 Angolo di soglia: 42 o

Indentificazione delle particelle Effetto Cerenkov electron ν Photomultiplier tube (PMT)

Eventi da Neutrino atmosferico SK ・Both CC FC (fully contained) ν ne and n ・Need particle identification to separate ne and n ～ 12000 events (Super-K) ・～ CC n PC (partially ν contained) ～ 900 events (Super-K) ・～ CC n Upward ～ 1900 events (through, SK) ～ 420 events (stopping, SK) going muon ν

Esempi di eventi Single Cherenkov ring electron-like event Color: timing Size: pulse height Single Cherenkov ring muonlike event Outer detector (no signal)

K 2 K • Conferma del fenomeno delle oscillazioni osservato con i neutrini atmosferici (SK) • Misura più precisa dei parametri dell’oscillazione (∆m 2, sin 22 q) • Fascio di n • Spettro di energia simile a quello dei neutrini atmosferici • Long Baseline (250 Km)

K 2 k Near detectors n n n 1 KT Acqua Rivelatore Cerenkov Fibre Scintillanti/Acqua Rivelatore (Sci. Fi) Muon Range Detector (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

T 2 K Tokai to Kamioka 250 km T 2 K JAER I K 2 K • Realizzazione del nuovo acceleratore per protoni da 50 Gev (J-PARK) • Sarà possibile ottenere un fattore 100 di incremento nel rate degli eventi

Sommario: Super-Kamiokande, K 2 K, T 2 K n I dati sul neutrino atmosferico di SK sono spiegati con l’oscillazione n n , with: Dm 2=1. 9 – 3. 0 × 10 -3 e. V 2 sin 22 q > 0. 90 n n n (SK L/E analysis) Recentemente l’analisi di L/E ha mostrato evidenza di un segnale di “oscillazione” Nessuna evidenza di oscillazioni n ne : da investigare K 2 K ha confermato le oscillazioni del neutrino usando un fascio da acceleratore. I risultai di SK e K 2 K sono in buon accordo T 2 K partirà nel 2009 è permetterà di indagare più a fondo il fenomeno

Oscillazione dei Neutrini Esperimenti Long Base Line Numi-MINOS CNGS : OPERA/ICARUS

ICARUS Imaging Cosmic and Rare Underground Signals Programma di Fisica: Ø Neutrini Solari, Atmosferici e da Supernova Ø Esperimento Long Baseline ricerca diretta di νμ -> ντ e νμ -> νe Ø Ricerca del decadimento del protone

ICARUS Rivelatore ad Argon Liquido: Densità 1. 4 g/cm 3 Lunghezza di radiazione 14 cm light Lung. di interazione 80 cm d. E/dx(mip) = 2. 1 Me. V/cm Ionizing Track T=88 K @ 1 bar Circa 12000 coppie electrone-ione prodotte per mm (mip track) ü La luce emessa dà il t 0 Drifting e- Induction Plane II 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 Camera a Bolle Elettronica X, Y, time

ICARUS CNGS : νμ ντ oscillations Reazione primaria: CNGS : νμ ντ + Ar -> τ + jet νe oscillations Reazione primaria: νe + Ar -> e- + jet τ eνν μνν h- ν h 0 ν h- h+ h- n h 0 ν

ICARUS T 3000 + Muon Spectrometer Una Seconda-Generazione di esperimento per ricerca del decadimento del protone e un osservatorio per Neutrini al Laboratorio del Gran Sasso

OPERA Oscillation Project with Emulsion-t. Racking Apparatus Ricerca di oscillazioni di neutrino nm ® nt mediante osservazione diretta dell’apparizione del nt in un fascio puro di nm nm ……………. . nt t- + X oscillazione interazione CC - n n e- n n e h- n n p o p + p - n np o Quadro sperimentale (neutrini atmosferici) t nt t : Per rilevare il decadimento del t è necessaria una risoluzione micrometrica (18%) Kink (50%) (14%) Multiprong . 6 ~0 mm 68% 95% 99% Long baseline: 732 km 68% 90% 95% 99% Cern Neutrino beam to Gran Sasso

Il rivelatore OPERA Rivelatore IBRIDO (elettronica + bersaglio Pb/emulsioni): • 2 supermoduli – Massa rivelatore 1766 Ton. • 2 Spettrometri a Magnete con RPC & Drift tubes • 2 x [31 Target Tracker and Target Walls] • 206, 336 “ECC bricks” (Pb/Emulsione) Basato sul concetto del Emulsion Cloud Chamber (ECC) • 12 Mil. di fogli di emulsione Sala C dei LNGS

Target Trackers Pb/Em. target m spectrometer Basato sul concetto del OPERA in Run Emulsion Cloud Chamber (ECC) n 8 m Unità di base il Brick Pb/Em. BRICK 1 mm n tt Lead Estrazione del Brick selezionato Rivelatore Elettronico Seleziona il Brick dell’interazione 8 cm EMULSIONE (42 micron) Analisi delle Emulsioni Ricerca del vertice Ricerca del decadimento

Analisi delle Emulsioni : Microscopi automatizzati • Standardized Optics (Nikon) and Mechanics (Micos) • CMOS camera up to 500 fps • State-of-art Image processor (Matrox Odyssey) and PCI-X workstation • New asyncronous DAQ software Grani ESS: European scanning system frame (analogo sistema sviluppato in Giappone) D’Ambrosio N. , Nucl. Instr. and Meth A 525 (2004) 193– 198 2 -3 mm Attuali prestazioni del ESS • Velocità di scanning ~ 20 cm 2/h/lato • Efficienza di ritrovamento micro-traccia ~ 95% • Allineamento lastra-lastra (8 Ge. V/c ps) ~ 0. 5 mm • Risoluzione angolare ~ 2 mrad

Video sequenza di una traccia in emulsione Sequenza di 20 immagini (step 2 mm su 42 mm di emulsione Obbiettivo emulsione Supporto plastico emulsione 200 m

Emulsione Nucleare Vertice da interazione di n (CHORUS) Piani focali differenti Profondità focale ~ 3 mm + 54 mm dal vertice + 36 mm 100 mm + 21 mm n Le tracce interessanti appaiono come punti 0 mm

MINOS Misura del rapporto tra lo spettro di energia del neutrino nel far detector (oscillated) rispetto a quello nel near detector (unoscillated) üDetectors located on Nu. MI beam axis üNear Detector (1 kt) is located at Fermilab, ~1 km downstream of target üFar Detector (5. 4 kt) is 735 km away in Soudan mine, Minnesota Near and Far detectors have the same basic design: üsteel-scintillator sandwich ü 2. 54 cm of steel + 1 cm of solid scintillator (U and V) üalternate planes have orthogonal strip orientations

Long Baseline Experiments: MINOS NEAR detector ü 1 kt ü 282 planes ü 3. 8 m high üCalorimeter section: first 121 planes üSpectrometer section: rear 161 planes, reduced sampling FAR detector ü 5. 4 kt ü 485 planes detector composed of 2 modules, 15 m long, 8 m high üactive veto shield (scintillator-modules)

Long Baseline Experiments: MINOS Demonstrate oscillation behaviour ü confirm flavour oscillations describe data ü provide high statistics discrimination against ü alternative models: decoherence, n decay, extra dimensions, etc. Precise Measurement of Δm 23 ü ~10 % Search for sub-dominant νμ + ve oscillations MINOS is the 1 st large deep underground detector with a B -field ü first direct measurements of n vs from atmospheric neutrino events n oscillations

Long Baseline Experiments: MINOS

Power Beam (Ge. V) (MW) Ep K 2 K 12 0. 005 〈En 〉 (Ge. V) L (km) Mdet (kt) n CC (/yr) ne @peak WB 1. 3 250 22. 5 ~50 ~1% MINOS(LE) 120 0. 4 WB 3. 5 730 5. 4 ~2, 500 1. 2% CNGS 400 0. 3 WB 18 732 ~2 ~5, 000 0. 8% OA 0. 7 295 22. 5 ~3, 000 0. 2% 810? 50 ~4, 600 0. 3% ~1200 1, 000? ~5, 000 0. 2% ~500 ~360, 000 0. 2% T 2 K-I 50 0. 75 NOn. A 120 0. 4 OA ~2 C 2 GT 400 0. 3 OA 0. 8 T 2 K-II 50 4 OA 0. 7 295 120 2 OA ~2 810? 50? ~23, 000 28 1 WB/OA ~1 2540 ~500 ~13, 000 2. 2 4 WB 0. 32 130 ~500 ~18, 000 WB/OA 1~3 1290 ~50, 000 NOn. A+PD BNL-Hs SPL-Frejus Fe. Ho 8/120 “ 4” I II 0. 3% III 0. 4%

Performances attese OPERA signal (Dm 2 = 1. 9 x 10 -3 e. V 2) signal (Dm 2 = 2. 4 x 10 -3 e. V 2) signal (Dm 2 = 3. 0 x 10 -3 e. V 2) BKGD 6. 6 (10) 10. 5 (15. 8) 16. 4 (24. 6) 0. 7 (1. 1) 8. 0 (12. 1) 12. 8 (19. 2) 19. 9 (29. 9) 1. 0 (1. 5) 0. 8 (1. 2) 1. 8 kton fiducial + brick finding + 3 prong decay (…) con l’ upgrade del fascio CNGS (X 1. 5)