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Corso di Fisica SubnucleareParte II – AA 06-07
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Esperimenti sui Neutrini Solari
● Radiochimici:
eA Z e− AZ1
Instabile,se ne identifica ildecadimento
● Elettronici:e e− e e−
Osservo segnaleda e diffuso
● Sezioni d'urto piccole, servono rivelatori di grandi dimensioni
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Il Tasso d'Osservazione
R= numero di eventi osservati/sec :flusso
R=⋅⋅⋅N Nucleoni≃1010⋅10−45⋅⋅N Nucleoni
Sezione d'urto
Per 1 evento / giorno (105 sec) :
N Nucleoni≃1030 /Efficienza di rivelazione: dipende
fortemente dal processo utilizzato e dalla porzione di spettro analizzato
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Radiochimici
● Emin bassa:
– h alta ~ 1-10 %– Tutto (o quasi) lo spettro
● “Piccoli”: o(10- 100 ton)
● Nessuna informazione su v incidente (E, Q, t )
Elettronici
● Emin ~ 5 MeV: – h bassa ~ 10-4
– Solo 8B● Grandi: ~ 10 kton o piu'
● Misurare (E, Q, t ) del v (in tempo reale)
Riduce notevolmente le incertezze sul calcolo del flusso
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La Solar Neutrino Unit (SNU)
● Si definisce la SNU = 10-36 catture /atomo/ sec come unita' di misura dei flussi di neutrini
● La resa misurata in SNU dipende da h, ma non dalle dimensioni del rivelatore
● La resa predetta (in SNU) dipende inoltre dal Modello Standard Solare (flusso integrato entro la regione di sensibilita' del rivelatore)
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Radiochimici (1) : HomeStake● Miniera in disuso nel South Dakota, run dal 1967 al 1998● Reazione ;
● 615 ton C2Cl4 (perclorato-etilene, 37Cl ~ 24%, 2.2 1030 atomi di bersaglio), flussato ogni ~ 60 giorni per estrarre 37Ar (elemento volatile), identificato a parte mediante decadimento b:
37 Ar e e 37Cl
Soglia 814 KeV (7Be, no pp)
Predizione : 7.5 ±1.2 SNU (1.15 7Be + 5.76 8B)Osservato : 2.56±0.16±0.15 SNU Rapporto O/P : 0.34±0.05
ve37Cl e− 37 Ar
1.4 37Ar/giorno
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Radiochimici (2) : ne 71Ga -> e- 71Ge● GALLEX, GNO (Gran Sasso 91-97, 30 ton in soluzione HCl )● SAGE (Lago Baksan, 1990-2001 Caucaso, 50 ton Ga
liquido 40o)
● Estrazione ~ 20 gg di GeCl4 (volatile), rivela 71Ge mediante processo di cattura: e-71Ge -> 71Ga ve
● 71Ga e' instabile, rivelo righe K,L del decadimento g
Soglia 233 KeV (7Be e anche pp)
Predizione : 128 ±8 SNU (70 pp +34 7Be + 12 8B + ...)
GALLEX : 69.3±4.1±3.6 SNU SAGE : 69.1±4.3 SNURapporto (O/P) : 0.56±0.05
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Tempo Reale (1) : SuperKamiokande
● 22.5 Kton H20 ve e-> ve e
● Misura g Cherenkov in H2O e emesso
● Ev >> me , e collineare con v incidente:
Soglia 5 MeV (solo 8B)
cos ,e≃1−me
2
2 E e E
≃1
cos(Angolo) rispetto al sole
Fondi
Segnale22400 ±800
# v /day vs Ev (MeV)
Predizione : 5.5 ±1 106 v/cm2/sOsservati : 2.35±0.02±0.08 106 v/cm2/sRapporto (O/P) : 0.465±0.005±0.083
Esercizio
Maggiori dettagli poi ...
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Alcune Domande
● E' un vero deficit , o e' sbagliato il calcolo dei flussi ?
● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere)
● Oscillazione nel vuoto (Q grande) o nel sole (Q piccolo + risonanza )
● Oscillazione anche nella terra ?
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Alcune Domande
● E' un vero deficit , o e' sbagliato il calcolo dei flussi ?
● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere)
● Oscillazione nel vuoto (Q grande) o nel sole (Q piccolo + risonanza )
● Oscillazione anche nella terra ?
Misure di S.N.O.
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Alcune Domande
● E' un vero deficit , o e' sbagliato il calcolo dei flussi ?
● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere)
● Oscillazione nel vuoto (Q grande) o nel sole (Q piccolo + risonanza )
● Oscillazione anche nella terra ?
Misure di S.N.O e reattori
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Alcune Domande
● E' un vero deficit , o e' sbagliato il calcolo dei flussi ?
● E' una oscillazione o una scomparsa (decadimento in particelle ancora piu' leggere)
● Oscillazione nel vuoto (Q grande) o nel sole (Q piccolo + risonanza )
● Oscillazione anche nella terra ? NOSNO e SuperKamiokande
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Una Considerazione
● SK e SNO misurano la reazione elastica v e -> v e● A rigore non e' ristretta ai soli ve, ma questi sono
favoriti dalle C.C.:
v v
ee
ve e
vee
ve,vm ,vt Solo v
e
NC=gV2 g A
2gV g A 0
0=2GF
2 me
3E
CC=30
Z W
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Diffusione Elastica ve -> ve
● Se il fascio contiene fa neutrini di tipo a la sezione d'urto media osservata e': s DE = s0 { 1.66 fe + 0.27 (fm+ft ) }
● Se fe = fm+ft , il contributo di ve a sDE e'1.66/(1.66+0.27) = 86 %
Deficit di ve !● Posso misurare indipendentemente i tre flussi ?
,e =NC= 0gV , e2 g A, e
2 gV ,e g A, e=0.270
e e=NCCCinterferenza
=0[ gV , e2 g A, e
2 gV , e g A,e 33gV ,eg A, e]=1.660
Esercizio: ricavare questi rapporti ricordando chei g
Ve = -1/2+2sin2q
W = -0.0376, g
Ae = -1/2
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Il principio di SNO
● Misuro tre processi, diversamente sensibili a ve,vm e vt:
1) E.S.. va e -> va e fe+0.14(fm+ft) come SK
2) C.C. ve d -> epp 100%ve 1.442 MeV
3) C.N. va d -> vapn fe+fm+ft (uguali) 2.225 MeV
● Cfr 1)+2)+3) : calcolo il flusso complessivo di v dal sole
● Misura indipendente da Modello Standard Solare
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Il Sudbury Neutrino Observatory
● Miniera di Sudbury (Ontario), 2070 m
● Nocciolo: 1Kton D2O ultra pura
● Schermo: 8Kton H2O ultra pura
● ~ 10000 fotomoltiplicatori per misurare radiazione Cherenkov
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Il metodo di SNO
1) E.S. va e -> va e fe+0.14(fm+ft)
2) C.C. ve d -> epp 100%ve
3) C.N. va d -> vapn fe+fm+ft (uguali)
● 1999-2001:
n d -> 3He g (Eg = 6.3 MeV, h ~ 14 %)● Dal 2001 aggiunta 2ton NaCl:
n 35Cl -> 36Cl + raggi g (SEg ~ 8.6 MeV, h ~ 40 %)
Isotropia g dai tre processi
Direzione rispetto al sole
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Risultati (SNO + SK)● Il sole produce solo v
e
● Assenza di oscillazione: fCC=fES=fNC=f(ve) (f(vm)=f(vt)=0)
● Oscillazione: f(ve)=fCC < fNC=f(ve)+f(vm+vt)
Possiamo dedurre dal grafico se l'oscillazione ha luogo ?
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Risultati Numerici(SNO + SK)
● Il flusso osservato e' consistente col calcolo del MMS● I neutrini provenienti dal sole consistono, sulla terra,
30% ve , 70% vm+vt (ma non sappiamo quali dei due)
NC
SSM
=1.03±0.20
Prova Definitiva Oscillazione v
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Oscillazione nel vuoto ?
● Dovrei osservare:
– Modulazioni stagionali ~ 10 % (dipendenza da L)– Modulazioni in Energia ~ 20 % (dipendenza da E)
● Probabilita' di scomparsa:
ee = 1−sin2 2sin 21.267m2
EL ≃ 0.3
sin21.267m2
EL ≃ 0.7
sin2 2 0.7
L ~ 1.496 1011 mDL/L ~ 3%
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Oscillazione nel sole
Nessun effetto osservatoLe oscillazioni nel vuoto non bastano a spiegare il fenomeno, ma bisogna ricorrere all'effetto della materia solareNo variazione giorno-notte (SK): nessuna effetto dovuto alla Terra
Dati vs Teoria (no osc vuoto)
Modulazione indotta da variazione angolo solido
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Neutrini da reattore● Uso parassitario prodotti secondari da reattori
commerciali: 235(238)U, 239(241)P● Abbondante produzione n che decadono b
● In media 6 anti-ve / fissione
● Tipica precisione ~ +- 3% :
– Conoscenza processi di fissione e decadimento– Conoscenza dettagliata parametri operativi
● Si rivela mediante ●
e cm−2 s−1≃1.5 1012 P MW L2m2
e pe n soglia2.6 MeV
≃9.210−42E
10 MeV
2
cm2 / protone
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Risultati da reattori
● Rivelatori “vicini” (CHOOZ, Palo Verde) ~ 1 Km dai reattori– Sensibilita' Dm2 ~ 10-3 ev2
● KAMLAND ~ 140-200 Km da 26 reattori P ~ 70 GW– Sensibilita' Dm2 ~ 10-5 ev2
Flusso OsservatoFlusso Atteso