Lino Miramonti
On behalf
of Borexino and ICARUS Milano Groups
Lino Miramonti
Highlights in Physics 2005 - Milano 11-14 Ottobre 2005
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Fisica delle
particelle

Utilizza conoscenze e tecniche tipiche della fisica delle
particelle per studi a carattere Astrofisico/Cosmologico.

Utilizza particelle provenienti dallo spazio per studi di fisica
delle particelle.
Principali tematiche:

Fisica del neutrino (Solare, Supernova, Atmosferici,
Geoneutrini, neutrino da reattori e da acceleratori, ecc..)


Raggi cosmici
Processi rari (doppio decadimento beta, decadimento del protone
Fisica
astroparticellare
Astrofisica
&
Cosmologia
Le piccole sezioni d’urto e/o la
rarità dei processi ricercati comporta
la collocazione degli apparati
sperimentali (la maggior parte di
essi) al riparo dalla radiazione
cosmica
ecc..)




Materia oscura (WIMP’s)
Onde gravitazionali
Fisica nucleare (Misure di sezioni d’urto di interesse astrofisico)
…….
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Laboratori Nazionali
del Gran Sasso
Sono i più grandi laboratori sotterranei del
mondo per la fisica astroparticellare.
3 grandi sale sperimentali (~ 100x20 m
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1400 m di copertura di roccia
(equivalenti a 3500 m di acqua)
[attenuaz. dei µ cosmici ~ 10–6]
alte ~ 18 m)
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Borexino
Gianpaolo Bellini, Silvia Bonetti, Barbara Caccianiga, Davide Franco, Marco Giammarchi, Paolo Lombardi,
Emanuela Meroni, Lino Miramonti, Mariaelena Monzani, Laura Perasso, Gioacchino Ranucci
Scopo principale dell’esperimento è la
misura in tempo reale della componente
a bassa energia dei neutrini solari
Sia gli esperimenti radiochimici che quelli in
tempo reale con acqua rivelano meno neutrini
di quanto predetto dal modello solare:
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RADIOCHIMICI
Gli esperimenti con il Gallio ed
il Cloro integrano sullo spettro
energetico e sul tempo.
CHERENKOV
Meno dell’0.01% del flusso dei neutrini
solari è stato misurato in tempo reale.
Problema del Neutrino Solare (SNP)
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La soluzione al Problema del Neutrino Solare va ricercata tra le proprietà intrinseche del neutrino stesso!
Oscillazioni del Neutrino: Fisica oltre il Modello Standard
Parte dei neutrini di tipo elettronico (νe) prodotti
nel nucleo del Sole, si trasformano in neutrini di
altra natura (νx) nel loro viaggio verso il rivelatore.
νe
Angolo di mixing
Probabilità di rivelare νx ad una data
distanza L se ν(0) = νe:
νx
Diff. di massa
Distanza

L m 

Pe, x ( L)  sen 2 2  sen 2 1.267  m2 eV 2
E MeV  

 
Energia
Il fenomeno di oscillazione può essere “amplificato” in presenza di un mezzo ad alta
densità elettronica (come il nucleo del Sole) → Effetto MSW (Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein)
I risultati degli esperimenti determinano i migliori valori dei parametri di oscillazione:
m 2  7.9 00..65  105 eV 2
10
tan 2   0.4000..07
tale soluzione è detta Large Mixing Angle Solution (LMA-Solution).
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Borexino
Physics
Goals
Probabilità di sopravvivenza (Soluzione LMA)
oscillazioni
nel vuoto
oscillazioni
nella materia
(MSW)
7Be
Non ancora studiata
in modo diretto
MeV
Osservazione in tempo reale dei ν solari sotto il MeV (Modello Standard Solare)
Osservazione diretta oscillazioni nel vuoto
Oltre al ν solare Borexino potrà studiare i
neutrini emessi dalla Terra (Geo-neutrini),
neutrini provenienti da esplosioni di Supernova,
momento magnetico del neutrino [con sorgenti artificiali]
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La parte sensibile del rivelatore è costituita da
300 tonnellate di scintillatore liquido
(PC+PPO) contenute in un pallone di nylon
ultrasottile (125 µm) di 8.5 m di diametro.
Primo schermo: Buffer liquido ultrapuro
costituito da 1000 tonnellate di PC contenuto
in una sfera d’acciaio di 13.7 m di diametro.
2200 fotomoltiplicatori (installati all’ interno
della sfera d’acciaio) rivelano la luce prodotta
nello scintillatore.
Secondo schermo: Buffer costituito da oltre
2000 tonnellate di acqua ultrapura contenute
in una struttura d’acciaio a forma di cupola.
200 fotomoltiplicatori (installati all’esterno
della sfera d’acciaio) per la rivelazione della
luce Cherenkov prodotta dai muoni cosmici
residui.
(vedi Poster P.Lombardi)
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Eν = 862 keV (monocromatico)
7
ΦSSM = 4.8 · 109 ν s-1 cm2
Be  e   7Li   e
e
x
Energia dell’e- di rinculo
Scattering elastico
 x  e   x  e
  1044 cm 2 (a 1 MeV )
Eventi attesi (nell’ipotesi LMA): ~35 conteggi al giorno (tra 250-800 keV)
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Per poter studiare le interazioni da neutrino con una soglia di rivelazione così bassa (i.e. 250 keV)
occorre raggiungere un altissimo grado di radiopurezza nella parte attiva del rivelatore.
Ciò comporta:
A titolo d’esempio:
Scintillatore (PC+PPO)
< 10-16 g/g per gli isotopi
< 10-14 g/g per il 40K
14C/12C < 10-18
delle catene dell’U e del Th
Purezza dell’Azoto utilizzato per trattare lo scintillatore
< 0.1 µBq 222Rn/m3 N2
< 0.2 mBq 85Kr/m3 N2
< 0.5 mBq 39Ar/m3 N2
Il quantitativo di U/Th che
comunemente si trova nella roccia
è dell’ordine dei ppm (10-6 g/g)
10 ordini di grandezza!
In aria si ha circa:
•~ 20-100 Bq per 222Rn
•~ 1 Bq/m3 per il 85Kr
•~ 13 mBq/m3 per l’39Ar
Materiali solidi, liquidi, gassosi con purezze 107/1010 migliori di quanto si trova in natura!
Accurata selezione e pulizia dei materiali utilizzati
Ricorso a sofisticate tecniche di purificazione
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Al fine di misurare le radiopurezze per l’esperimento
Borexino si e’ realizzato un rivelatore prototipo con:
alto grado di purezza (10-16 g/g U e Th!) e
grandi masse di interazione (tonnellate!)
Denominato Counting Test Facility [CTF]

4 tonnellate di scintillatore liquido

100 fotomoltiplicatori

Schermo di acqua ultrapura (4.5 m)

Sistema di veto per muoni
(vedi Poster M.Monzani)
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grande massa di interazione
altissimo grado di radiopurezza
rivelatore unico per la
ricerca di eventi rari e
processi soppressi
Tali caratteristiche hanno permesso i seguenti risultati di fisica fondamentale:
Limite sulla stabilità dell’elettrone
Limite sul momento magnetico del neutrino
Limiti sul principio di esclusione di Pauli
Limiti sul decadimento del nucleone in canali invisibili
Limiti sul miscelamento di neutrini pesanti nel decadimento nel 8B
(vedi Poster B.Caccianiga)
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Borexino in costruzione
18 m
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Sfera d’acciaio 13.7 m di diametro
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Posizionamento dei palloni di nylon
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Palloni di nylon
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ICARUS
Giuseppe Battistoni, Silvia Muraro, Paola Sala, Matthias Lantz
ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Undergroud Signal)
è un progetto basato sulla realizzazione di una Camera a Proiezione Temporale (TPC) ad
Argon liquido (LAr) di grande massa.
Neutrini (atmosferici, solari, da supernovae, da acceleratori)
Decadimento del protone (previsto da alcune teorie oltre il M.S.)
(Fisica oltre il Modello Standard)
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Il rivelatore è in grado di produrre
immagini tridimensionali (come nella camera a bolle)
risultare sempre attivo e
fare uso un “auto-trigger“
Inoltre Densità Argon liquido: 1.4
“Camera a Bolle
Elettronica”
Alta risoluzione → Riduzione degli errori sperimentali → Maggiore sensitività
Principio di funzionamento
Ricostruzione tridimensionale:
Tre piani di fili anodici (x,y)
La terza dimensione (z) è ottenuta dal
tempo di deriva
Risoluzione spaziale ~ 3 mm3
Risoluzione energetica
L'intero volume di argon
liquido è immerso in un
campo elettrico uniforme.
(E)/E = 7% / √E(MeV) per e- di bassa energia
(E)/E = 3% / √E(GeV) per sciami em
(E)/E = 16% / √E(GeV) + 1% per sciami adronici
Livello di impurezze < 0.1 ppb di O2 equival.
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Il rivelatore ICARUS T600
Modulo T600
Semimodulo
2 TPC
2 unità identiche
(Semimoduli)
Piani di fili anodici
Criostato
4 m
(semimodulo)
20 m
4 m
Catodo in comune
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UV PMT
Piani di fili
anodici
Piani di fili Anodici
0° +60° -60°
Catodo
Vista interna
(Camera sinistra)
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Esempio di risultato ottenuto con un “run di prova” del primo
semimodulo del T600 effettuato con raggi cosmici in superficie [Pavia]
(Dedicato alla verifica delle funzionalità del rivelatore)
1,5 m
Traccia di un muone che attraversa longitudinalmente il piano catodico
Camera destra
catodo
Camera sinistra
1,5 m
18 m
Ricostruzione tridimensionale dell’evento
Vista tridimensionale
Vista dall’alto
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Esempi di ricostruzione di uno sciami elettromagnetici
Esempio di ricostruzione di interazione adronica
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Identificazione delle particelle
Esempio di un decadimento di un Kaone
K  [AB]    [BC]  e [CD]
Induction I
e+
K+
µ+
D
e+
B
K+
C
µ+
A
Collection
Run 939 Event 46
La
ricostruzione
3D
permette
di
calcolare
AB
dE/dx e il Range
→ IDENTIFICAZIONE
K+
µ+
BC
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Il modulo T600 si trova
attualmente in Sala B del
LNGS
La struttura meccanica di
supporto per il modulo T600 è
completata
I rivelatore dovrebbe
funzionante da fine 2006
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essere
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La Collaborazione ICARUS sarà impegnata nello
studio e realizzazione di moduli con masse dell’ordine
delle migliaia di tonnellate
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