Il mistero dei neutrini
Gilardoni Simone
CERN - PS/PP Division
Université de Genève - DPNC
Sommario….
• Breve storia dei neutrini
• Modello standard
• Come si producono
• Come si rivelano
• Il problema dei neutrini solari
• I neutrini atmosferici: le oscillazioni
• I neutrini dai reattori
• La neutrino factory
Perché i neutrini? (prologo...)
Spettro a righe delle 
Disintegrazione 2 corpi
Spettro continuo Energia elettrone nei
decadimenti  (1914) ???
Disintegrazione a 3 corpi !!!
• Teoria sviluppata da Fermi
• Beta inverso proposto da Pontecorvo
1954 rivelazione primo neutrino
… e da allora molto rimane da scoprire
Il puzzle dei neutrini: atto primo
“Dear Radioactive Ladies and Gentlemen: I beg you to receive
graciously the bearer of this letter who will report to you in detail
how I have hit on a desperate way to escape from the problem of
[…] the continuous  spectrum in order to save […] the law of
conservation of energy. Namely the possibility that electrically
neutral particles […] neutrons”
W. Pauli
Neutrinos? ”Oh, that’s a problem like new taxes, one had best
not think about it at all”
P. DeBye
Era il 1930… e di neutrini non si parlava ancora….
Il neutrone venne scoperto nel 1935 ….
Verifica del Modello Standard
Da disintegrazioni
della Z0 a LEP (CERN)
Numero di sapori
dei neutrini  3
I neutrini solari: reazione di fusione
p + p  D + e+ + e (pp)
p+e-+p  D + e
(pep)
p + D  3He + g
14%
3He
86%
+ 4He  7Be + g
0.1%
99 %
7Be
7Be
+ e-  7Li + e
+ p  8B + g
8B
 2(4He) + e+ + e
3He
+ 3He  4He + 2p
F = 6.57*1011 e/cm2/s
I neutrini atmosferici
Neutrini muonici e elettronici
Rapporto m/ e = 2
p + N  p + X
p  m  + m(m)
m   e + e(e) + m(m)
Errore sul flusso previsto
20%
I reattori nucleari (antineutrini elettronici)
Il futuro dei fasci di neutrini: la Nufact
Come si rivelano i neutrini
• Reazione beta inverso : esperimenti radiochimici
Gallex
• Interazione per corrente carica (scambio di un bosone W)
Esperimenti on-line : Super-Kamiokande
• Interazione per corrente neutra (scambio di un bosone Z0)
Gargamelle, Borexino, Super-Kamiokande
Correnti cariche e correnti neutre:
un po’ di teoria dei campi…..
I neutrini solari mancanti…
- 50 % !!!
•Oscillazioni ?
•Modello solare?
•Effetto del rivelatore?
O altro ???
I neutrini solari mancanti
• Errore nel modello solare?
Limite inferiore f da potenza (luce) emessa
• Effetto del metodo di rivelazione?
Stessi risultati con diversi tipi di rivelatori
(Gallex, Sage, Kamiokande)
Test sul sistema di rivelazione (Gallex)
• Oscillazioni ?
Evidenza sperimentale da Super-Kamiokande
• Effetto MSW (da testare)
L’ esperimento GALLEX
Vasca 30.3t Ga target 12t
71Ga
+ e 
71Ge
71Ga
+ e-
Soglia = 233 KeV
GaCl4 liquido GeCl3 volatile
Separazione con N2
Misura dell’attivita del Ge
C.E. T1/2=11.43 d
L’ esperimento GALLEX: il tunnel del Gran Sasso
Laboratori Nazionali del Gran Sasso: 1400 m di roccia
3800 m d’acqua
Gallex
Misura flusso solare via beta inverso
F atteso = 123  132 SNU
F misurato = 79  10  6 SNU
GALLEX
F misurato = 73  18  6 SNU
SAGE
• Modello solare ?
• Problema dell’ esperimento?
• Oscillazioni?
Test dell’ esperimento GALLEX
Sorgente di 51Cr:
• Alta attivita’
• E confrontabile a spettro solare
• Vita media sufficiente
A = 61.9  1.2 PBq
mtot = 35.5 Kg
Rate = misurati/attesi = 1.04  0.12
Gallex
Super-Kamiokande
50 K-ton d’ acqua,11 146 PMT
Effetto Cherenkov
Super-Kamiokande
1) Size
Cylinder of 41.4m (Height) x 39.3m (Diameter)
2) Weight
50,000 tons of pure water
3) Light Sensitivity 11,200 photomultiplier tubes
(50cm each in diameter -the biggest size in the world)
4) Energy Resolution
2.5% (at 1 GeV) and 16% (at 10 MeV)
5) Energy Threshold
5 MeV
Super-K
Principio di rivelazione
•Interazione per corrente carica per atmosferici (E GeV)
 + N  leptone + X
Sapore leptone  Sapore neutrino
•Interazione per corrente neutra per solari
e + e-  e + e-
Effetto Cherenkov
Cono di luce se particella viaggia più veloce della luce NEL MEZZO
q
cos q = 1/(n)
 =v/c (=1, q= 42o)
Soglie di rivelazione
e 0.768 MeV
m 158.7 MeV
p 209.7 MeV
Muon fully contained atmosferico
Electron event atmosferico
Electron event solare
Risultati di Super-K: evidenza di oscillazione
Neutrini atmosferici
R= (m/e)dati/(m/e)MC
•Rate indipendente da flusso assoluto dei cosmici
•MC dipende dai parametri di oscillazione
Dm2 e sin2q
R = 0.63  0.03  0.05
(MC senza oscillazione)
Dm2= 2.2*10-3 eV2 e sin2q =1 2 = 65.2 su 67 DOF
•Asimmetria alto-basso (atmosferici)
•Effetto giorno notte (solari)
Best fit
Risultati di Super-K:
nessuna oscillazione m e
Oscillazione
t o neutrino sterile
Introduzione alle oscillazioni a due componenti
Gli autostati dell’ Hamiltoniana di propagazione 1 e 2
(mass state) non coincidono con gli stati della Lagrangiana
dell’ interazione debole (weak state) e, m
|e(t=0) > = cosq |1> + sinq |2>
|m(t=0) > = -sinq |1> + cosq |2>
Time evolution
|m(t) > = -sinq exp[-i(2pE1/h)t] |1> + cosq exp[-i(2pE2/h)t] |2>
E2k=p2c2+m2kc4 k=1,2 Ek, lk diverse se masse diverse
Le oscillazioni dei neutrini
Probabilita’ di oscillazione
P(m e) = |< m(t)|e(t=0)>|2= sin22qsin2(px/losc)
losc = 2.5 E/Dm2
Parametri
In:
x, E
Out: sin22q Amp. Mixing
Dm2=m12 - m22
Riassunto risultati
K2K: primo Long Base Line experiment
Flusso di neutrini per K2K
Neutrino at near detector
Chooz
Neutrini da due reattori nucleari da 8.4 GWth
Flusso medio: 5 miliardi/secondo/cm2 a L = 1 km  24 evt/day
Energia media: E = 3.0 MeV
Rivelazione
flusso mancante
e+p  e++ n
Scintillatore + Gd
Segnale
coincidenza 2g 511 KeV
e
g da 8 MeV cattura n su Gd
Risultati Chooz I
Risultati Chooz II
Rate = Aspettati/Misurati = 0.98  0.04  0.04
Risultati Chooz III
Come si legge ???
Plot di Esclusione
Relazione flusso neutrini vs potenza reattore
Teoria MSW (matter effect)
Nella materia  interagiscono per corrente neutra
indice di rifrazione  n0 = 1 + 2pNefnc/p2
Ne densita’ e-, p momento
 n uguale per tutti i sapori
Solo i e interagiscono con e- materia per corrente
carica  termine supplementare nell’indice di
rifrazione
n = n0 + 2 GfNe/p
Passando nella materia si introduce uno sfasamento tra gli
stati di sapore (come le componenti della luce polarizzata in
un mezzo birifrangente)
 Cambia la probabilita’ d’oscillazione
Teoria MSW
Per certi Dm2 e sin22q
Probabilita’ sopravvivenza e
e  m
e  t
Teoria MSW
Righe del Be uccise dal MSW
Borexino
Scattering per corrente
neutra e su eScintillatore:
pseudocumene
300t
Pb: radiazione di fondo
K40, U
Scopo: Misura raggi
del Be
Nomad: apparizione neutrino t
Rivelazione neutrino t in fascio di neutrini m ed e
da identificazione leptone t
Fascio m di E = 24 GeV
Flusso medio 106 m /s/cm2 a 1 km.
Produzione fasci di neutrini muonici
Target
To experiment
Horn
p+
Decay tunnel
Proton driver
m+
m, e
Beam stopper
Il sistema di focalizzazione:
magnetic horn
Eventi tipici di Nomad
m Event
Muone
Elettrone
e Event
Il progetto LBL al CERN: CNGS
Distanza = 732 Km Ep = 450 GeV  E=15-20 GeV
Apparizione neutrino t
Decadimento doppio beta
N(A,Z)  N(A,Z-2) + e-e- ()
76Ge

76As

76Se
Se neutrino tipo Majorana
neutrino = antineutrino
annichilazione (come e+e-)
no neutrini da doppio 
Q = 204 MeV
Due telescopi a neutrini: il mare e il ghiaccio
Le mie “coordinate”
e-mail: [email protected]
tel. uff.: 0041 22 767 1823