Date post: | 28-May-2018 |
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Oscillazioni dei neutrini - Programma
Richiami sull'equazione di Dirac, proiezioni chirali, equazione di Weyl.Chiralità ed elicità. Neutrini di Majorana. Massa di Dirac e di Majorana. Meccanismo dell'altalena (see-saw).Matrice di mescolamento per tre famiglie. Fasi di Dirac e di Majorana.Oscillazioni nel vuoto per tre famiglie. Violazione di CP.Caso limite di due famiglie. Formule approssimate: one mass dominance.Interpretazione del plot Dm2 vs sin22q.Valore sperimentale dei parametri della matrice di mixing.I neutrini atmosferici. Super-Kamiokande. K2K.
Referenze:
M.Fukugita, T.Yanagida "Physics of neutrinos and Application to Astrophysics" -Ed. Springer Verlag (2003)K.Zuber, "Neutrino Physics" - Ed. IOP publishing (2004)
Dal PDG “Review of Particle Physics (http://pdg.lbl.gov/2005/reviews/contents_sports.html):Neutrino mass, mixing, and flavor change (B.Kayser, 2003)Understanding Two-Flavor Oscillation Parameters and Limits (D.E.Groom, 2002)
Standard rock density: 2.65 g/cm3
At 12,000 mwe muon from neutrino interactions ~ cosmic ray induced muons
CR Induced muon fluxCosmic rays flux
Atmospheric neutrinos
+
e+ +
15 Km
e
cosmic ray
+ +
ee
ee
R(E) = 2 (e+e)
(+)
E <1GeV
En (GeV)
ee
20% 5%
nm/ne Ratio (of Ratio)
L/E dei neutrini atmosferici
qDOWNWARD
(~15 Km)
UPWARD(~13,000 Km)
HORIZON(500 Km)
Ampio intervallo di L/E: E~0.2 100 GeV L~15 13,000 Km
Super-Kamiokande
50,000 ton water Cherenkov detector
22.5 kton fiducial volume
1000m underground (2700 m.w.e.)
11,146 20-inch PMTs for inner detector
1,885 8-inch PMTs for outer detector
~40m
~40m
1Ring e-like
1Ring m-like
20'' PMT by Hamamatsu Photonics
Detection of Atmospheric Neutrinos
Contained events
Interaction in the rock
Upward through-
going muons
Upward stopping
muons
e or m
Fully Contained (FC)
Partially Contained (PC)
No hit in Outer Detector
m
One cluster in Outer Detector
>
<<
>>
Zenith angle dependence
Strong evidence (1998). Compelling motivation for an independent cross- check at a controlled neutrino source. K2K: long-baseline experiment “KEK to Kamioka”.
sin22q > 0.932.0<Dm2<3.0×10-3eV2
at 90% CL
More samples...
K2K Layout and Strategy
+m
Al Target+Horn200m
decay pipe
SK100m ~250km
nm
12GeV protons
~1011 nm/2.2sec (/10m10m) ~106 nm/2.2sec(/40m40m)
~1 event/2days
n
monitor m monitor
NDCombined (1KT,SciFi,SciBar) fit of Pm,qm distributions
Near detector fluxFar detector flux
Beam MCPIMONHadronic modelsNew: Harp
Preliminary
Dqp
m
p
SciBar
1 kton
1KT
Sci
Fi
Sci
Bar
MR
D
K2K Result
TDIFF. (ms)
1.5ms
Decay electron cut.20MeV Deposited Energy
No
Act
ivit
y in
Out
er D
etec
tor
Eve
nt V
erte
x in
Fid
ucia
l Vol
ume
Mor
e th
an 3
0MeV
Dep
osit
ed E
nerg
y
5ms
500ms
Tspill GPSSK
ToF=0.83ms
56.8 45 Multi Ring
9 1-R e-like
90.8 58 1-R m-like
99.0 67 1-Ring
155.9112FC 22.5kt
MCDATAK2K
8.2
+11.5 (7.4%)-10.2 (6.5%)
Absolute Deficit3.1s
Oscillation
No oscillation
Enrec (GeV)
sin22q
Dm2
(eV
2)
10-4
10-3
10-2
10-1Best fit value (all region) sin22q = 1.19 0.23 Dm2 = (2.55 0.40)x10-3eV2
(in physical region) sin22q = 1.0 Dm2 = (2.76 0.36)x10-3eV2
Shape Distortion
2.8s
No Oscillation
0.003%4.2s
Enrec=
(mN-V)Em-mm2/2+mNV-V2/2
(mN-V)-Em+pmcos qm
Oscillation Analysis
Total Number of neutrino events
Reconstructed Enrec spectrum shape for 1-ring m-like events
Systematic error terms, fx
)(),2sin,(),2sin,(
),2sin,(22
2
xsyst
xshape
xnorm
x
fLfmLfmL
fmL
DD
D
q
Systematic error terms include: normalisation, flux, nonQE/QE ratio, pion monitor and beam MC constraints, Super-K systematic uncertainties.
Disappearance & Shape
sin22qsin22q
Dm2[e
V2]
Dm2[e
V2]
NSK (#nm) En shape
Allowed regions from Allowed regions from nnmm disappearance and disappearance and distortion of Edistortion of Enn spectrum are consistent spectrum are consistent
Compiti a casa per i prossimi O(10) anni
Quanto vale il terzo angolo di mixing q13
?
Ci sono neutrini sterili ?
I neutrini sono fermioni di Dirac o di Majorana ?
Nei leptoni c'è violazione di CP ?
La leptogenesi spiega perchè siamo qui ?
Quali sono le proprietà elettromagnetiche dei neutrini ?
Osserveremo mai i neutrini “relic” del Big Bang ?
Saremo sorpresi da risultati inattesi ?
La fisica dei neutrini è un campo di ricerca estremamente
attivo e interessante.
Gli ultimi “neutrino Nobel Prizes” :
1988 Lederman, Schwartz e Steinberger
1995 Reines
2002 Davis e Koshiba
I prossimi anni ci porteranno con tutta probabilità nuovi
risultati.
2009 ?