Le oscillazioni nm nt
•Il paradosso del test diretto: perché è rimasto per così tanto tempo al
di fuori delle nostre capacità di sperimentatori?
•Studiare le oscillazioni nm nt con sorgenti naturali
(SuperKamiokande)
•Studiare le oscillazioni nm nt con sorgenti artificiali: OPERA e
il programma CNGS
• Cosa possiamo imparare da questo canale di oscillazione?
F. Terranova INFN-LNF
Basato soprattutto su: P. Migliozzi, F. Terranova
“Learning from tau appearance” to appear in NJP
Tabula rasa…
We aim at showing that the CKM mechanism operating in the quark
sector is an appropriate description of leptonic mixing and (if any) of
leptonic CP violation. For oscillations, this holds even in the occurrence
of Majorana neutrinos (no Majorana phases perturb the oscillations)
Our golden tool: flavor
oscillations on
macroscopic scale
Quark versus leptonic mixing matrix from an
experimental point of view
• In lepton mixing, all elementary fermions are asymptotic
free states. We don’t need to deal with K to study “s”...
• There are no dissipative terms in matter waves of such
fermions: neutrinos are stable and flavor identification
proceeds ONLY through charged-current neutrino
interactions.
• Non-perturbative QCD effects are always subdominant
The study of the leptonic mixing
matrix is a much simpler task than
for the CKM
The tiny cross sections
of the neutrinos make
the difference
Back to the earth, before 1998
Due to the smallness of the cross sections, the demostration of
the very existence of the oscillation was considered a major
task. The experimental agenda in the ‘80 and ‘90 was:
• To show that lepton mixing exists, and therefore, demostrate
that neutrino have masses
• Test with very-high precision facilities the (supposedly
small) leptonic mixing
Such strategy was inspired by two “reasonble” assumptions.
Both of them were wrong!
“Must” be small and
hyerarchical as for the CKM
“Must” be large (>1 eV2) to explain
Dark Matter in the Universe
The turning point: 1998
2004
Atospheric
neutrinos
1998
Ashie et al., PRL 93:101801,2004.
SuperKamiokande
Macro
1998
Soudan II
Finally visible the onset of
oscillations at a typical Dm2 of
10-2 – 10-3 eV2
The oscillation is not a nm ne
transition (CHOOZ, reactor
neutrinos)
Apollonio et al. PLB 466:415,1999.
The neutrino “revolution”: 1998-2003
Contrary to all expectations, mixing angles are large (except maybe 13) and
mass differences are small
Dm221 = 7.59 10-5 eV2
|Dm223| = 2.40 10-3 eV2
45o
33o
Corollary:
the only way to test in a direct manner the oscillation formula, i.e. looking at the appearance of
new flavors, is to study high energy (>10 GeV) nm nt transitions: testing the oscillation
formula is more difficult than measuring the mixing!
Il test diretto
• Il test piu’ diretto delle oscillazioni: osservare un leptone dalle interazioni
di correnti cariche con flavor diverso dal flavor del neutrino iniziale
• Impossibile con i solari e i reattori: ne sotto la soglia cinematica del muone
• Relativamente semplice con sorgenti di muoni studiando nm ne ma le
oscillazioni nm ne sono soppresse di (almeno) un ordine di grandezza
• Necessario usare le oscillazioni nm nt: sperimentalmente difficilissimo
Due possibili approcci sperimentali
“Approccio esclusivo”: Identificare la comparsa dei neutrini tau attraverso
l’osservazione esplicita del leptone tau: decadimento in volo del tau.
CHORUS  OPERA
“Approccio inclusivo”:
Selezionare un campione ricco
di leptoni tau sfruttando la
diversa cinematica dell’evento
rispetto alle correnti neutre
NOMAD  ICARUS
NC
nt CC
nm/e CC
Il piu’ “inclusivo” degli approcci: SuperKamiokande
SuperKamiokande Coll. Phys.Rev.Lett. 97 (2006) 171801
Water Cherenkov detector, 50 (22.5 fiducial) kton mass
Set di variabili con limitato potere di
separazione ma grande statistica
Combinazione attraverso una rete neurale
Selezione di eventi tau-like
L’analisi 2006 di SuperKamiokande (SK-I data)
K.Abe et al. [ Super-Kamiokande Collaboration ], PRL 97 (2006) 171801
Vantaggio: anche se l’analisi dipende dal MC, ho a disposizione uno straordinario
campione di normalizzazione: gli eventi provenienti dall’alto (non oscillati)
Svantaggio: rapporto segnale-fondo molto sfavorevole. Possibilita’ di vedere solo I
decadimenti del tau in 1 adrone.
Analisi 2006 2.4 s (attesa da MC 2.0 s)
Una sorpresa: l’analisi 2011
Wendell @ Venice 2011
Nuova analisi null hyp esclusa
a 3.8 s (attesa da MC 2.6 s)
See also C Walter @ Nuint 2011
RUN
CHOOZ
Double-CHOOZ
CERN
[OPERA]
• From SPS: 400 GeV/c
• Cycle length: 6 s
• Extractions:
– 2 separated by 50 ms
• Pulse length: 10.5 ms
• Beam intensity:
– 2.4 · 1013 proton per
extr
• Expected performance:
– 4.5  1019 pot/year
Gran Sasso
V. Talk di A. Guglielmi
CNGS: a 17 GeV nm beam from
CERN to Gran Sasso (730 km)
THE PRINCIPLE OF THE EXPERIMENT: ECC + ELECTRONIC DETECTORS
ECC brick
Scintillators
1 mm
t
nt
Pb
emulsion layers
interface films (CS)
• Intense, high-energy muon-neutrino beam
• Massive active target with micrometric space resolution
• Detect tau-lepton production and decay
• Use electronic detectors to provide “time resolution” to the emulsions
and preselect the interaction region
A. Ereditato - CERN - 4 June 2010
12
THE IMPLEMENTATION OF THE PRINCIPLE
SM1
Target area
Muon spectrometer
R. Acquafredda et al. [OPERA Collaboration] JINST 4 (2009) P04018
SM2
150000 bricks
1.25 kton fiducial mass
13
Perché proprio le emulsioni nucleari?
E’ la tecnica più solida per osservare la comparsa di nt (*) e, a differenza di
SuperKamiokande e ICARUS, sfrutta tutti i canali di decadimento
Il prezzo da pagare:
• Richiede un’enorme infrastruttura per l’estrazione, lo sviluppo, lo scanning delle lastre
fotografiche
• Ha un rapporto segnale fondo eccellente e può vedere tutte le topologie di decadimento del
tau ma le masse raggiungibili sono modeste: pochi “golden” events
• L’analisi non è real-time ma non può essere procrastinata indefinitamente perché le tracce
in emulsioni svaniscono dopo circa un anno se le lastre non vengono sviluppate.
K.Kodama et al. [ DONUT Collaboration ], PLB 504 (2001) 218
t
e and m leptonic
nt
“one prong”
“three prong”
@ 4.5·1019 p.o.t./year, 200 days/year
for OPERA (~1.25 Kton) detector:
~ 4700 nmCC+NC / year
_
~ 30 ne + ne CC / year
~ 25 nt CC / year (Dm2 = 2.5 x 10-3 eV2)
expected neutrino interactions
@22.5 1019 pot
signal
(Dm2=2.5
10-3
tm
t e
t h
t 3h
total
2.9
3.5
3.1
0.9
10.4
eV2)
Feb 25, 2011
bkgd
15
0.17
0.17
0.24
0.17
0.75
SM1
SM2
Extract brick and CS, scan CS.
Confirm the event in the brick.
Develop brick: ship to scanning labs.
Target area
Muon spectrometer
(ECC + CS + TT) (Magnet+RPC+PT)
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
Brick Manipulator
System
16
BRICK VALIDATION BY THE CS
Develop this brick
CS
CS doublet alignment by Compton electrons: 2 microns
Scan only bricks containing neutrino interactions
(save analysis time, minimize the loss of target mass)
Scanning effort/event:
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
CHORUS 1x1 mm2
DONUT 5x5 mm2
OPERA 100x100 mm2
17
Vertex location procedure
CS
Point Scan
neutrino
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
Large area
scan~100cm2
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
~100x100mm2
TT
emulsion
emulsion
ECC
18
OPERATIONS ON BRICKS
Waiting for neutrinos in
the target…
Stored underground (waiting
for the CS response)
Extracted by the Brick
Manipulator System
X-ray exposure for
alignment
Films developed at surface
Exposed to cosmic-rays for
precision film alignment
PARALLEL ANALYSIS
OF BRICKS
To Dubna
Bern
Padova
Bologna
Selected bricks sent to scanning labs
(presently 12)
Roma LNGS
LNF
Napoli
Salerno
LNGS
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
Bari
Nagoya
20
year
beam
days
# p.o.t.*
SPS
eff.
events in
the bricks
run
2006
0.076×1019
no brick
commissioning
2007
0.082×1019
38
Problems with CNGS
shield.
2008
123
1.78x1019
61%
1698
Physics runs
2009
155
3.52x1019
70%
3693
Physics runs
2010
187
4.04x1019
81%
4248
Physics runs
~220
Exp ~5x1019
Today 1.5x1019
-
Exp ~5000
Today 1486
In progress
2011
2010
2009
2008
ECC analysis performances (I)
Ip measurement:
mm
IP distribution for:
nt events (MC)
NC+CC nm events (MC),
IP distribution for nt
events (MC)
NC+CC nm events (Data)
expanded scale
Prec (GeV)
particles momenta measurements by MCS
9
8
7
s=
(22±4)%
6
Measurements
performed
p test beam
on several selected OPERA
soft muon events
5
4
3
2
Feb 25, 2011
1
1
2
3
4
5
6
7
8
Pbeam (GeV)
22
ECC analysis performances (II)
 detection and
p0 mass reconstruction
 e-pair
2 em showers give a
reconstructed mass 160±30
MeV/c2
e+
e-

E = 8.1 GeV
E = 0.5 GeV
t decays
include one or more p0  importance of gamma
70% of 1-prong hadronic
EM shower energy measured by shower shape
analysis and Multiple Coulomb Scattering method
detection
Gamma detection: how to…
detection of shower
detection e-pair at start point
1 s mass resolution: ~ 45%
23
N. Agafonova et al.[OPERA Collaboration], PLB 691 (2010) 138
the first nt candidate event (I)
N. Agafonova et al.[OPERA Collaboration], PLB 691 (2010) 138
•The primary neutrino interaction consists of 7 tracks of which one exhibits a visible kink
•Two electromagnetic showers caused by -rays, associated with the event, have been
located (total radiation length downstream the vertices: 6.5 X0)
25
Visto l’elevato S/N ratio di OPERA, questo singolo evento
rappresenta già un evidenza del tau a 2 sigma
Una piccola parentesi: oscillazioni nm  ne
Negli anni 90 erano un modo “incerto” di effettuare il test diretto. Oggi hanno un
ruolo chiave nella fisica del neutrino perche permettono di determinare 13 e di
accedere allo studio della violazione di CP nel settore leptonico. (v. talk di M.
Mezzetto)
OPERA ha una certa sensibilita’ a questo canale(*) che viene dalla capacita’ di
identificare elettroni (essenziale per t  e). E’ pero’ penalizzata dall’alta energia
del fascio e dalla massa ridotta. Malgrado cio’…
(*) M.Komatsu, P.Migliozzi, F.Terranova, J. Phys. G29 (2003) 443
OPERA 2008-10 data
OPERA final results
Cosa succede se OPERA vede qualcosa di diverso da
quello che ci aspettiamo?
Neutrini sterili: ci si aspetterebbe una riduzione dei tau. Tuttavia i modelli piu’
semplici non prevedono grossi effetti in OPERA perche’
• Il 3+1 (sfavorito) deve salvaguardare i neutrini atmosferici e i parametri
sono tunati per sopprimere gli effetti alle energie del CNGS
• Il 3+2 ha grandi violazioni di CP per salvaguardare Miniboone. Sopprime
l’effetto per le oscillazioni di neutrino e li esalta per gli antineutrini
A.Donini, M.Maltoni, D.Meloni, P.Migliozzi, F.Terranova, JHEP 0712 (2007) 013
Interazioni non standard che si manifestano nelle correnti-neutre:
• Effetti molto grandi in OPERA
• Non sono necessariamente causa di riduzione dei tau
M.Blennow, D.Meloni, T.Ohlsson, F.Terranova, M.Westerberg, EPJ C56 (2008) 529
L’appearance del tau e’ un selezionatore “puro” di effetti non-oscillatori. Rispetto
alle oscillazioni questi effetti possono essere dominanti (improbabile) o
sottodominanti (molto probabili se LSND e Miniboone sono corretti)
Ha senso studiare l’appearance del tau dopo OPERA?
Scenario “standard”: abbastanza interessante
La probabilita’ di oscillazione nent ha una dipendenza dai parametri di mixing
diversa dalla probabilita’ di oscillazione nenm. Un utile strumento per eliminare
la degenerazione tra i parametri in facilities di alta precisione (“neutrino
factories”)
Scenario “puro” con neutrini sterili: poco interessante
Visto che le lunghezze di oscillazione degli sterili sono piccole conviene fare
misure di precisione di appearance e disappearance di ne e nm a piccole e grandi
distanze .
Scenario con effetti non-oscillatori subdominanti: molto interessante
Gli effetti non-oscillatori subdominanti tendono a essere amplificati alle alte
energie e non perturbano le correnti neutre. Ideali per esperimenti nent o nmnt
Conclusioni
• La natura e’ stata generosa e, nello stesso tempo, un po’ maliziosa con noi:
• I fenomeni oscillatori si manifestano in sorgenti naturali di neutrini
ma
• Energie e mixing cospirano per rendere il test diretto delle oscillazioni il
piu’ difficile possibile dal punto di vista sperimentale
• Le sorgenti naturali possono fornire alcune indicazioni interessanti su questo
test, ma difficilmente saranno conclusive
• Le sorgenti artificiali sono ideali per il test diretto e OPERA/CNGS e’
davvero vicino alla meta
• In un quadro perfettamente coerente delle oscillazioni, il test diretto e’ un
test empirico di consistenza. Oggi sappiamo che questo quadro coerente
potrebbe riservare delle sorprese…
Vertex location procedure
CS
Point Scan
neutrino
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
Large area
scan~100cm2
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
~100x100mm2
TT
emulsion
emulsion
ECC
32
Volume Scan
ECC
CS
TT
Volume scan  topology analysis
5 plates upstream
10 plates downstream
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
Lead
emulsion
emulsion
emulsion
neutrino
33