Esperimenti sui Neutrini Solari

(1)

Corso di Fisica Subnucleare

1

Esperimenti sui Neutrini Solari

●

Radiochimici:



_e^A

Z e

^{− A}

Z 1

Instabile,se ne identifica il

decadimento

●

Elettronici:



_e

e

⁻

 

_e

e

⁻

Osservo segnale da e diffuso

●

Sezioni d'urto piccole, servono

rivelatori di grandi dimensioni

(2)

Il Tasso d'Osservazione

R= numero di eventi osservati/sec :

flusso

R =⋅⋅⋅N _Nucleoni ≃10 ¹⁰ ⋅10 ⁻⁴⁵ ⋅⋅N _Nucleoni

Sezione d'urto

Per 1 evento / giorno (10 ⁵ sec) :

N _Nucleoni ≃10 ³⁰ /

Efficienza di rivelazione: dipende

fortemente dal processo utilizzato e

dalla porzione di spettro analizzato

(3)

3 Radiochimici

●

E

_min

bassa:

– h alta ~ 1-10 %

– Tutto (o quasi) lo spettro

●

“Piccoli”: o(10- 100 ton)

●

Nessuna informazione su v incidente (E, Q, t )

Elettronici

●

E

_min

~ 5 MeV:

– h bassa ~ 10

^-4

– Solo

⁸

B

●

Grandi: ~ 10 kton o piu'

●

Misurare (E, Q, t ) del v (in tempo reale)

Riduce notevolmente le incertezze sul calcolo del flusso

(4)

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)

(5)

5

Radiochimici (1) : HomeStake

●

Miniera in disuso nel South Dakota, run dal 1967 al 1998

●

Reazione ;

●

615 ton C

₂

Cl

₄

(perclorato-etilene,

³⁷

Cl ~ 24%, 2.2 10

³⁰

atomi di bersaglio), flussato ogni ~ 60 giorni per estrarre

³⁷

Ar (elemento volatile), identificato a parte mediante decadimento b:

37 Ar  _e e ^{ 37} Cl

Soglia 814 KeV (

⁷

Be, no pp)

Predizione : 7.5 ±1.2 SNU (1.15 ⁷ Be + 5.76 ⁸ B) Osservato : 2.56±0.16±0.15 SNU

Rapporto O/P : 0.34±0.05 v _e ³⁷ Cl  e ^{− 37} Ar

1.4

³⁷

Ar/giorno

(6)

Radiochimici (2) : n _e ⁷¹ Ga -> e ^- ⁷¹ Ge

●

GALLEX, GNO (Gran Sasso 91-97, 30 ton in soluzione HCl )

●

SAGE (Lago Baksan, 1990-2001 Caucaso, 50 ton Ga liquido 40

^o

)

●

Estrazione ~ 20 gg di GeCl

₄

(volatile), rivela

⁷¹

Ge mediante processo di cattura: e ^-71 Ge -> ⁷¹ Ga v _e

● 71

Ga e' instabile, rivelo righe K,L del decadimento g

Soglia 233 KeV (

⁷

Be e anche pp)

Predizione : 128 ±8 SNU (70 pp +34

⁷

Be + 12

⁸

B + ...)

GALLEX : 69.3±4.1±3.6 SNU SAGE : 69.1±4.3 SNU

Rapporto (O/P) : 0.56±0.05

(7)

7

Tempo Reale (1) : SuperKamiokande

●

22.5 Kton H

₂

0 v _e e-> v _e e

●

Misura g Cherenkov in H

₂

O e emesso

●

E

_v

>> m

_e

, e collineare con v incidente:

Soglia 5 MeV (solo

⁸

B)

cos 

_{ ,e}

≃1− m

_e²

2 E

_e

E

_

≃1

cos(Angolo) rispetto al sole

Fondi

Segnale

22400 ±800

# v /day vs E

_v

(MeV)

Predizione : 5.5 ±1 10 ⁶ v /cm ² /s

Osservati : 2.35±0.02±0.08 10 ⁶ v /cm ² /s Rapporto (O/P) : 0.465±0.005±0.083

Esercizio

Maggiori dettagli poi ...

(8)

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 ?

(9)

9

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.

(10)

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

(11)

11

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 ? NO

SNO e SuperKamiokande

(12)

Una Considerazione

●

SK e SNO misurano la reazione elastica v e -> v e

●

A rigore non e' ristretta ai soli v _e , ma questi sono favoriti dalle C.C.:

v v

e e

v

_e

e

v

_e

e

v _e ,v _m ,v _t Solo v _e



_NC

= g

²_V

g

²_A

 g

_V

g

_A



₀



₀

= 2 G

²_F

m

_e

3  E

_



CC

=3

0

Z W

(13)

13

Diffusione Elastica ve -> ve

●

Se il fascio contiene f

_a

neutrini di tipo a la sezione d'urto media osservata e': s ^DE = s ₀ { 1.66 f _e + 0.27 (f _m +f _t ) }

●

Se f

_e

= f _m +f _t , il contributo di v

_e

a s

^DE

e'1.66/(1.66+0.27) = 86 %

Deficit di v _e !

●

Posso misurare indipendentemente i tre flussi ?



_{ , }

e =

^NC

=

0

 g

V , e

2

g

A, e

2

g

V ,e

g

_{A , e}

=0.27 

0



e

e =

^NC



^CC



interferenza

=

0

[ g

V , e

2

g

A, e

2

g

V , e

g

_{A ,e}

33 g

V ,e

 g

A, e

]=1.66

0

Esercizio: ricavare questi rapporti ricordando chei

g

_Ve

= -1/2+2sin2 q

_W

= -0.0376, g

_Ae

= -1/2

(14)

Il principio di SNO

●

Misuro tre processi, diversamente sensibili a v

_e

,v

_m

e v

_t

: 1) E.S.. v _a e -> v _a e ^f

_e

^+0.14(f

_m

^+f

_t

⁾ ^{come SK}

2) C.C. v _e d -> epp ^100% ^v

_e

^{1.442 MeV}

3) C.N. v _a d -> v _a pn ^f

_e

^+f

_m

^+f

_t

^(uguali) ^{2.225 MeV}

●

Cfr 1)+2)+3) : calcolo il flusso complessivo di v dal sole

●

Misura indipendente da Modello Standard Solare

(15)

15

Il Sudbury Neutrino Observatory

●

Miniera di Sudbury (Ontario), 2070 m

●

Nocciolo: 1Kton D

₂

O ultra pura

●

Schermo: 8Kton H

₂

O ultra pura

●

~ 10000 fotomoltiplicatori per

misurare radiazione Cherenkov

(16)

Il metodo di SNO

1) E.S. v _a e -> v _a e ^f

_e

^+0.14(f

_m

^+f

_t

⁾

2) C.C. v _e d -> epp ^100% ^v

_e

3) C.N. v _a d -> v _a pn ^f

_e

^+f

_m

^+f

_t

^(uguali)

●

1999-2001:

n d -> ³ He g ^(E

_g

= 6.3 MeV, h ~ 14 %)

●

Dal 2001 aggiunta 2ton NaCl:

n ³⁵ Cl -> ³⁶ Cl + raggi g

(SE

_g

~ 8.6 MeV, h ~ 40 %)

Isotropia g dai tre processi

Direzione rispetto al sole

(17)

17

Risultati (SNO + SK)

●

Il sole produce solo v

_e

●

Assenza di oscillazione: f _CC =f _ES =f _NC =f(v _e ) ^(f(v

m

)=f(v

_t

)=0)

●

Oscillazione: f(v _e )=f _CC < f _NC =f(v _e )+f(v _m +v _t )

Possiamo dedurre dal grafico se l'oscillazione ha luogo ?

(18)

Risultati Numerici(SNO + SK)

●

Il flusso osservato e' consistente col calcolo del MMS

●

I neutrini provenienti dal sole consistono, sulla terra, 30% v _e , 70% v _m +v _t (ma non sappiamo quali dei due)



NC



SSM

=1.03±0.20

Prova Definitiva Oscillazione v

(19)

19

Oscillazione nel vuoto ?

●

Dovrei osservare:

– Modulazioni stagionali ~ 10 % (dipendenza da L)

– Modulazioni in Energia ~ 20 % (dipendenza da E)

●

Probabilita' di scomparsa:

 

_e

 

_e

 = 1−sin

²

2 sin

²

1.267 m

²

E L  ≃ 0.3 sin

²

1.267  m

²

E L  ≃ 0.7

sin

²

2   0.7

L ~ 1.496 10

¹¹

m

DL/L ~ 3%

(20)

Oscillazione nel sole

Nessun effetto osservato

Le oscillazioni nel vuoto non bastano a spiegare il fenomeno, ma bisogna ricorrere all'effetto della materia solare

No variazione giorno-notte (SK): nessuna effetto dovuto alla Terra

Dati vs Teoria (no osc vuoto)

Modulazione indotta da

variazione angolo solido

(21)

21

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- v _e / fissione

●

Tipica precisione ~ +- 3% :

– Conoscenza processi di fissione e decadimento

– Conoscenza dettagliata parametri operativi

●

Si rivela mediante

●



_e

cm

⁻²

s

⁻¹

≃1.5 10

¹²

P  MW  L

²

 m

²





_e

p e

^

n  soglia2.6 MeV 

≃9.210

⁻⁴²

 E

_

10 MeV 

2

cm

²

/ protone

(22)

Risultati da reattori

●

Rivelatori “vicini” (CHOOZ, Palo Verde) ~ 1 Km dai reattori

– Sensibilita' Dm

²

~ 10

^-3

ev

²

●

KAMLAND ~ 140-200 Km da 26 reattori P ~ 70 GW

– Sensibilita' Dm

²

~ 10

^-5

ev

²

Flusso Osservato Flusso Atteso

(23)

23

Risultati Oscillazione v _e

●

Esperimenti sui Neutrini Solari

1