Rivelatori per Neutrini IFAE 2005 D’Ambrosio N.. Kamiokande SuperKamiokande Kamiokande...

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)