nmnt
Il rivelatore OPERA ai LNGS
Lino Miramonti (Milano University and INFN)
Milano, Apr 26, 2007
L’esperimento OPERA è stato concepito per la rivelazione diretta dell’apparizione
del nt dall’oscillazione da
nmnt nel fascio dal CERN SPS ai LNGS
Le misure fatte con i neutrini atmosferici da
SuperKamiokande indicano un deficit di neutrini muonici
(dipendente dall’angolo di zenit) consistente con una
oscillazione da nmnt con Δm(23)2 = 1.9 – 3 x 10-3 eV2
(90% CL) e mixing massimo.
Anche MACRO, Soudan2 e K2K hanno ottenuto osservazioni compatibili con
questi risultati
Lo scopo principale di OPERA è la rivelazione diretta dell’apparizione del nt
la quale confermerebbe l’ipotesi di oscillazione e la sua natura.
Un altro importante contributo è la ricerca dell’oscillazione nmne per la misura
dell’angolo di mixing θ13
Opera utilizza un fascio di neutrini prodotti
dall’esperimento CNGS del CERN di Ginevra che
viaggia per 732 km (ad una profondità di 11 km
sottoterra) fino a raggiungere i LNGS.
La grande distanza tra sorgente del fascio e
rivelatore (long base-line) permette di indagare la
regione di spazio dei parametri (angolo di mixing, e
differenza di massa tra neutrino muonico e neutrino
tauonico) indicata come più probabile dai recenti
risultati dei precedenti esperimenti.
Il fascio è stato ottimizzato per la rivelazione del
neutrino tauonico attraverso interazioni a corrente
carica (CC) fornendo neutrini muonici di circa 20 GeV
(flusso integrato di qualche 1020 protoni su targhetta
per 5 anni di operatività dell’SPS)
L’esperimento Opera utilizza le emulsioni nucleari
per poter osservare direttamente i prodotti del
decadimento del leptone tau originatosi nelle
interazioni di corrente carica (CC) del neutrino tau
con il rivelatore.
I possibili canali di decadimento sono quello
elettronico, muonico o adronico con le seguenti
probabilità di decadimento:
CC interaction
n m  n t  t- + X
oscillazione
t decay “kink”
t
Il leptone tau ha una
vita media di 2.9 10-13 s
e una massa di 1777
MeV
E’ il solo leptone che può
decadere in adroni
m- nt nm
B. R. ~ 17%
h- nt n(po)
B. R. ~ 50%
e- n t n e
B. R. ~ 18%
p+ p- p- nt n(po)
B. R. ~ 14%
Risoluzione O(1 mm)
nt
Nt  N A M D  n m ( E ) P
n m n t
( E, m2 )nt
CC
( E ) ( E )dE
Massa O(1 kton)
per m2 =O(10-3 eV2)
Opera è un apparato di rivelazione ibrido costituito da
rivelatori elettronici (scintillatori plastici, camere a piatti resistivi e tubi a drift)
e
bersaglio massivo (1.8 kton) di piombo ed emulsioni nucleari.
I rivelatori elettronici permettono sia la ricostruzione della traiettoria delle
particelle cariche che la localizzazione delle interazioni nel bersaglio massivo.
Giugno 2006
mattoni (target unit)
56 Pb piani + 57 emulsioni
L’elemento
costitutivo
essenziale
del
rivelatore è rappresentato dalle Emulsion
Cloud Chamber (ECC) che sono strutture
compatte (10.2 x 12.5 x 7.5 cm) costituite
alternando sottili (1mm) lastre di piombo e
strati (300 mm) di emulsione nucleare.
10 X0’s
8.3kg
10.2cm
12.5cm
1 mm
t
n
ECC ≡ Sequenza di strati di emulsioni e
piombo:
Piombo: target mass
Emulsion: tracking device
Pb
Un mattone corrisponde a circa 10 X0 (lunghezze di radiazione) il che permette di contenere completamente
le cascate elettromagnetiche e rende possibile la misura dell’impulso delle particelle mediante il fenomeno
dello scattering multiplo. (  precisione di ricostruzione dell’ordine del micron).
I mattoni sono organizzati in strutture
planari dette pareti di circa 7x7m2
che ne contengono 3328.
Le pareti sono intervallate da piani
traccianti di scintillatori plastici letti
da fotomoltiplicatori (Target Tracker)
utilizzati per identificare i mattoni in
cui si verificano le interazioni con
una precisione di circa 1cm.
parete
52 x 64 = 3328 mattoni
31 pareti
3328 mattoni per parete x 31 pareti = 103169 mattoni per Modulo
L’insieme delle pareti costituisce un modulo che
accoppiato ad uno spettrometro per muoni
costituisce un super-modulo.
7m
Il Target Tracker è utilizzato anche come
calorimetro per misurare l’energia delle cascate
adroniche e ricostruire le particelle altamente
penetranti.
2 super-moduli
SM1
SM2

Spetrometro per muoni
Target
Totale mattoni: 206336
(31 Target Tracker moduli + 31 pareti di mattoni)
Massa totale: 1800 T
Lo spettrometro per muoni, serve a identificare i muoni e misurarne la loro
carica e il momento.
E’ costituito:
•da camere a piatti resistivi (Resitive Plate Chambers – RPC) (Inner Tracker),
•da tubi a drift (Precision Tracker)
coil
M ~ 950t
•da un magnete
8.2
m
12 Fe slabs
(5cm thick)
RPC’s
Drift tubes
B= 1.55 T
Può essere utilizzato anche per
ricostruire l’impulso delle particelle
cariche mediante misure di range e
curvatura della traiettoria in campo
magnetico.
slabs
base
L’esperimento punta ad analizzare tutte le possibili ramificazioni dei
differenti modi di decadimento del leptone tau (e,m,h)
Macchina per assemblare i mattoni
I robots lavorano ad ritmo di
circa 1000 mattoni al giorno
BAM at LNGS
Sistema per maneggiare i mattoni
Robot per inserzione mattoni (target filling)
e rimozione (during run)
Veicolo a Ventosa
Meccanisno a giostra
mattone
Scanning automatico per le emulsioni nucleari
Circa 30 mattoni al giorno saranno estratti e analizzati
usando sistemi automatici ad alta velocità
European Scanning System
S-UTS (Japan)
High speed
CCD Camera (3 kHz)
Piezo-controlled
objective lens
Synchronization of
objective lens and stage
scanning speed ~ 20 cm2 / h
Customized commercial optics and
mechanics + asynchronous DAQ software
Constant speed stage
Hard-coded algorithms
Field of view
16 tomographic images
2D Image
processing
3D reconstruction of particle tracks
Passing-through
tracks rejection
Track segments found in
8 consecutive plates
Momentum measurement by Multiple Scattering
dE/dx for p/µ separation at low energy
Electron identification and energy measurement
Vertex
reconstruction
nm  nt oscillation search
t decay
channel
Signal
m2
= 2.4 x
10-3
eV2
m2
Background
= 3.0 x
10-3 eV2
tµ
3.6
5.6
0.23
te
4.3
6.7
0.23
th
3.8
5.9
0.32
t  3h
1.1
1.7
0.22
ALL
12.8
19.9
1.0
full mixing, 5 years run @ 4.5x1019 pot / year
Main background sources:
- charm production and decays
- hadron re-interactions in lead
- large-angle muon scattering in lead
CC interaction in the rock
CC interaction in the first magnet
The tracking detectors had been taking
data with practically no dead time
during the whole run
Conclusioni
•L’esperimento OPERA è stato concepito per una conferma diretta
dell’oscillazione del nmnt per valori di Δm(23)2 = 1.9 – 3 x 10-3 eV2 (neutrini
atmosferici) utilizzando un rivelatore modulare che combina tecniche “visuali” e
di rivelazione elettronica
•Il commissioning del fascio CNGS è stato completato con successo in Agosto
2006
•Sono stati registrati più di 300 eventi provenienti dal CERN