Le Astro-particelle
Giorgio Giacomelli
Universita’ di Bologna e INFN
Bologna, 7/11/2009
Lezioni Lincee di astronomia
1.Introduzione
2. Il Modello Standard del microcosmo
3. LHC. Esperimenti
4. Neutrini. Sorgenti di neutrini
5. Oscillazioni dei Neutrini
6. Telescopi per neutrini
7. Onde gravitazionali
8. Conclusioni. Prospettive
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1. Introduzione. La struttura della materia
10-9 m
molecola
es. grafene: strato monoatomico di atomi di C -->
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Vuoto dovunque ?
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Il Modello Standard del microcosmo
Costituenti ultimi
Forze
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Fondamentali
Quarks
Leptoni
Elettromagnetica 
Forte
g
Debole Z,W
Gravitazionale G
Materia ordinaria costituita di
protoni, neutroni, elettroni
.
--> u, d, e
+  ,  sempre viaggianti
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Masse dei costituenti ultimi
Le masse dei costit.ultimi variano
da centinaia di GeV a meno di 1eV
Le masse dei sono nulle nel MS
Le oscillazioni dei indicano
masse non nulle, ma molto piccole
Cosmologia --> m<0.7 eV
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Il Modello Standard (Electrodebole+Forte)
Misure di precisione agli acceleratori hanno verificato le
previsioni del MS senza trovare alcun difetto
QCD e’ la teoria dell’Interazione Forte
L’unica cosa mancante nel MS e’ il bosone di Higgs.
Il nuovo acceleratore LHC dovrebbe rispondere a:
C’e’ un bosone di Higgs? Qual’e’ la sua massa? E’ elementare o composto?
Fisica al di la’ del MS
-Ci sono molte motivazioni per cercare nuova fisica al di la’ del MS
(Infiniti, SUSY, Materia Oscura,….)
-Le osservate oscillazioni dei  sono un’indicazione di nuova fisica?
Possibili candidati per la Materia Oscura
-particella supersimmetrica piu’ leggera [WIMP,neutralino(cold DM)]
-Axion (warm DM); nucleariti, monopoli magnetici,…..
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3. LHC
+acceleratori al CERN
(non in scala)
LHC e’ la macchina piu’ complessa
che sia mai stata costruita:
7000 magneti superconduttori
Eperimenti: ATLAS, CMS,
ALICE,LHCb, ..
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SPS
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L’esperimento CMS a LHC
p
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p
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View of CMS
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Un evento di fondo prodotto da un solo fascio in CMS il
7/11/09
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4. Neutrini. Sorgenti di Neutrini
e   CMB
Geo anti-e
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anti-e da SN
 da sorgenti
.
cosmiche
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Oscillazioni dei 
Autostati di ”sapore”
e, , 
Autostati di massa
1, 2, 3
Decadimenti, Interazioni p+ +  ,  n - p
Propagazione
1(t) = 1(0) e -Et
Mescolamento
f = 3m=1 Ufm m
Gli autostati di sapore si propagano come sovrapposizione di
autostati di massa
Per soli 2 sapori (,) , (2,3) :
Probabilita’ di oscillazione in una distanza L:
P(  ) = sin2 2q23 sin2 (1.27 Dm223 L/E)
Sparizione in una distanza L:
P(  ) = 1 - P(  )
Se ci sono oscillazioni: m ≠0 , Dm< 0.1 eV
Violazione di Le, L, L , Conservazione di L=Le+Lμ+Lτ ?
Invarianza di Lorentz ?
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5. Neutrini atmosferici
p, He, Fe …
p, He, Fe …


e


p, He, Fe …

e

p

E:
0.1 GeV 100 GeV
L:
20 km 13000 km
L/E: 1 km/GeV 105 km/GeV
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MACRO
(12mx9mx76m)
al Gran Sasso
(terminato)
MACRO : Analisi finale
Zenith distribut
{
H.E.
E estimate
R1= N(cos Q< -0.7)/N(cosQ> -0.4)
R2= N(low E) / N(high E)
L.E. IU, ID and UGS  R3= N(ID+UGS) / N(IU)
Best fit parameters for   
Dm232 = 2.3 10-3 eV2 ; sin2 2q23 =1
Predictions of the new FLUKA and Honda Monte Carlos
H.E. 25% low ; L.E. 12% low
Bartol96 may give additional evidence for oscillations:
Absolute values referred to Bartol96 MC:
R4=(Data/MC)H.E. ; R5=(Data/MC)L.E.
With these informations, the no oscillation hypothesis
ruled out by ~6 s
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SuperKamiokande
50kt total volume
22.5kt fiducial volume
20’PMT photocath.cover.
SK-I 11,146
40%
SK-II 5,182
19%
41m
Mt Ikenoyama
39m
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1000m underground
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6. Esperimenti long baseline
•K2K (KEK to Kamioka) (250 km)
Near Detector and Far Detector (SuperK)
Ratio=measured/expected was <1
•NuMI from Fermilab to Soudan mine (735 km)
Experiment Minos
Near Detector (1000 t) , Far Detector (5500 t)
Ratio=measured/expected < 1  ∆m232=2.38 10-3 eV2
• CNGS beam from CERN to Gran Sasso (732 km)
Experiments: Opera: Appearance-->  experiment
LVD monitor, Borexino, Icarus
Neutrino Beam size at GS : s about 1 km
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Fascio di  dal CERN al Gran Sasso
GPS
Tflight = 2.44 msec
TOPERA = Event
TimeStamp
TCERN = Time Stamp
SPS extraction
TOPERA - (TCERN + Tflight) < ∆TGate
GPS Time Stamp resolution ~ 100 ns
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Struttura dell’esperimento OPERA
31 target planes / supermodule
(in total: 150000 bricks, 1350 tons)
SM1
SM2

Targets
Magnetic Spectrometers
Scopo principale: verificare che si tratti di oscillazione di, -->
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OPERA in Hall C
Super Module 1
Super Module 2
CNGS Beam
Target
Muon spectrometer
5/28/09
for momentum and charge identification
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L Patrizii - CIPANP09
of penetrating particles
150, 000 bricks (total)
Scintillator strips : Brick selection
Calorimetry
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Microscopio automatico veloce
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“Evento” CC
candidato
charm
qkink=0.204 rad
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6. “Telescopi” per neutrini.
Astronomia a neutrini di alta energia
• Advantages w.r.t. other messengers:
–Photons: interact with CMB and matter
–Protons: interact with CMB and are deflected by
magnetic fields
–Neutrons: are not stable
• Drawback: large detectors (~GTon) are needed.
photon
n

p
Non ci sono per ora risultati positivi. Sono in costruzione
telescopi piu’ grandi.
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2Optical detection of 

43°
interaction

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ANTARES
40 km
cable
2500 m
14.5 m
un
piano
350 m
100 m Junction
box
70 m
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Readout cables
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Slide presentata a un convegno sul riscaldamento globale in risposta ad alcune
motivazioni dubbie. Forse anche qui ci sono alcune motivazioni dubbie ?
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7. Onde gravitazionali
Rivelazione di un’onda gravitazionale
Interferometro
Non ci sono ancora risultati positivi. Si cerca di migliorare la
sensibilita’.
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Onde gravitazionali. Virgo
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7a. Conclusioni. Prospettive per i 
Neutrini atmosferici e esperimenti long baseline: 2-flavor oscillation
Mixing massimo
Dm232=
Soudan2
MACRO
SK
K2K
Minos
5.2 10-3 eV2
2.3 “
2.5
“
2.7
“
2.38 “
-No s oscillations , No Lorentz invariance violation
Si capiscono le oscillazioni dei neutrini atmosferici e dei neutrini solari;
si deve determinare se esiste l’oscillazione -->e e se m3>m2>m1
I neutrini sono particelle di Dirac o di Majorana ?
Diversi tipi di Telescopi a Neutrini sono in funzione e/o in fase di
ingrandimento
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7b. Conclusioni. Prospettive
Il modello Standard del microcosmo e’ valido, ma manca il
bosone di Higgs --> Si attende LHC
Solo il ~4% della materia e dell’energia dell’Universo e’ costituito di
materia barionica --> C’e’ quindi il problema della Materia Oscura
(circa 21%) e dell’Energia Oscura (circa 75%)
Materia Oscura: molti candidati particellari ricercati agli
acceleratori e nei raggi cosmici e molte ricerche dirette,
specialmente nei laboratori sotterranei (come il Gran Sasso)
Diversi tipi di rivelatori di onde gravitazionali in funzione e/o in
fase di miglioramento della loro sensibilita’.
Gli esperimenti principali sono molto grossi e costosi !
Non conosciamo il 95% della materia e dell’energia dell’Universo :
e’ quindi necessaria molta attivita’ di ricerca !
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