O ut line di ques ta panor am ic a s ui ri v el at or i di neut ri ni

M. Sioli Lezioni di Astrofisica Nucleare e Subnucleare CdLAstronomia AA 2004/05

R a d ia z io n e n e lla m a te ri a , p ri n c ip i d i ri v e la z io n e e ri v e la to ri d i p a rt ic e lle e le m e n ta ri : ri v e la to ri p e r n e u tr in i

C a rat ter is ti c he pr inc ipal i di un ri v el at or e di neut ri ni

•Grandi dimensioni: sezione d’urto piccolissima (10-44 -10-38 cm2 ), e flussi molto bassi (es. 10-13 cm-2 s-1 sr-1 per νatm) •Ottimo schermaggioda radiazione ambientale e cosmica (generalmente sono esperimenti sotterranei) •Richiesta ottima reiezione del fondo, in genere predominante (rapporto segnale/rumore massimo possibile)

O ut line di ques ta panor am ic a s ui ri v el at or i di neut ri ni

•Mostreremo: prima principio di rivelazione, poi tecnica di rivelazione ed infine esempio di implementazione. •Faremo un riassunto molto limitato e non esaustivo sui rivelatori di neutrini attualmente esistenti. •Non tutti i rivelatori sono estremamente massivi: short baseline, ricerche “esotiche”…

E mu ls io n i n u c le a ri

Ancora forniscono la migliore risoluzione spaziale (<1mm). Hanno una grande importanza per la rivelazione di vertici e decadimenti di particelle con breve vita media Sonocompostedamicro-cristallidiAlidurodiArgento(AgBr) dispersiin unamatricegelatinosa. L’energiarilasciatadallaparticellaionizzanteproduce un’immaginelatentela quale, medianteun appositosviluppo, si riducead argentometallico. Allafine del trattamentochimico, ilpassaggiodellaparticella ionizzantedivienevisibilecome unasequenzadigranidi argentodel diametrodicirca 0.8 µm in size.

Le emulsioninuclearivengonoutilizzatedai fisicidaoltre60 anni 1896: 1896: radioattivitàradioattività 1947: 1947: decadimentodecadimentodel del pionepione 2000: neutrino del tau2000: neutrino del tau

100 µµµµm

P re c is io n e in tr in s e c a

Ag grain after development dx M.I.P. Track

σ = 0.06µm intrinsic spatial resolution

Grain Size 0.2 µm (original crystal) development process 0.8 µm (visible at microscope) mm µµ 06.0 122.0 =

S is tem a di s c anni ng c o m pl et am ent e aut om at ic o

gs

camera optical tube objective emulsion

trasparentslide with vacuum system motorized stage

motorized axis condenser lamp

auxiliary monitor for real-time display Computer with: •frame grabber and vision processor •motors and lamp controllers

Esempio di rivelatore che utilizza emulsioni: OPERA al Gran Sasso (esperimento “su fascio”) Rivelatore ibrido(rivelatori elettronici + emulsioni) Massa totale = 1.8Massa totale = 1.8Massa totale = 1.8Massa totale = 1.8 tonnellatetonnellatetonnellatetonnellate, , , , circacircacircacirca200000 «200000 «200000 «200000 «mattonimattonimattonimattoni»»»»

R iv e la to ri a s c in ti lla z io n e

Una particella carica, attraversando uno scintillatore, perde energia eccitando gli atomi del materiale. Questi ultimi, diseccitandosi, emettono luce visibile

Una particella carica, attraversando uno scintillatore, perde energia eccitando gli atomi del materiale. Questi ultimi, diseccitandosi, emettono luce visibile
Scintillatoriinorganici (NaI, CsI…) sono cristalli ionici drogati con impurità -alta efficienza di scintillazione 1γ/ 20-100 eV -elevata densità (rivelatori compatti) 4-5 g/cm2 -tempi di emissione elevati (100-600 ns) -possono essere igroscopici ed avere la risposta dipendente dalla temperatura
Scintillatoriorganici (BC102, POPOP ) sono complesse molecole organiche in cui si ha emissione di luce UV in seguito all’eccitazione di livelli molecolari. Si aggiungono poi altre molecole (wavelengthshifter) per trasferire la luce nel visibile:tempi di emissione rapidi (2.5- 10 ns) e minor risposta luminosa 1γ/ 400 eV

Tipi di scintillatori

R a c c o lt a d i lu c e e f o to mo lt ip lic a to ri

In un rivelatore a scintillatore la luce visibile prodotta viene trasportata verso un apparecchio(fotomoltiplicatore, fotodiodo)che la converte in un segnale elettrico. fotomoltiplicatore Fotocatodo: vetro o quarzo con deposito di materiale FOTOSENSIBILE a basso potenziale di estrazione Efficienza quantica εεεε q= Np.e./Nγγγγ= 10-30% DinodiEstrazione secondaria K = 3-4 Partitore divisore resistivo per applicare HV sui dinodi Anodo raccolta segnale G ≈≈≈≈KNdinodi

Utilizzo degli scintillatoriper la misura del tempo di volo StartStop

Tempo di voloTempo di volo t=L βc

∆∆∆∆t per L = 1 m σσσσ t= 300 ps separazione p/K fino ad 1 GeV/c

σσσσ t= 300 ps separazione p/K fino ad 1 GeV/c

Se si dispone di un rivelatore con buona risoluzione temporale e per tragitti (L) della particella abbastanza elevati ....

p, He, Fe…

p, He, Fe… µµν µ ν µ

N e ut ri ni at m os fer ic i

E ν: 1 GeV → 300 GeV L:~100 km → 13000 km L/E ν: 30 km/GeV → 6000 km/GeV Downgoingν µ: sorgente vicina Upgoingν µ: sorgente lontana

p, He, Fe… ν µ ν µ ν e

µπ e

Esempio: MACRO al GranSasso upthroughgoing µIU µ UGS µ ID µ

ν µ ν µν µ ν µ

MACRO al Gran Sasso (esperimento concluso nel 2000)

•Ottima reiezione fondo(~10-6 del flusso superficiale) •~600 t di scintillatoriliquidi(risoluzione temporale ~500 ps) •~20000 m2 di tubi a streamer(risoluzione angolare < 1°)

•Grande accettanza(~10000 m2 srper un flusso isotropo)

Muoni “passanti”(<E n> ~ 50 GeV) Tempo divolo: 1/ββββ = (T 1-T 2) . c / L =+1 down µµµµ -1 up µµµµ

E ff e tt o C h e re n k o v

specchioradiatore particelle PM

Cherenkova soglia: θ c

fronte d’onda cos θθθθ c= 1 ββββn

Ring imaginge RICH:viene misurantol’angolo di apertura del cono

DELPHI RICH

Effetto Cherenkov: le particelle cariche che avanzano in un materiale a velocità maggiore di quella della luce nel mezzo (β>1/n) producono della luce “veloce” per depolarizzazione del materiale.

Esempio di rivelatore che utilizza luce Cherenkov come principio di rivelazione e i fotomoltiplicatori come rivelatori: Super-Kamiokande in Giappone.

Soloneutrinielettronici sonoprodottinelsole

Flusso di neutrino solari secondo il “SolarStandard Model”

“T el es c o pi o ” p er neut ri ni s ol ar i

S u d b u ry N e u tr in o O b s e rv a to ry (G .B e ie r)

1700 tonnesInner Shielding H 2O

1000 tonnesD 2O 5300 tonnesOuter Shield H 2O

12 m Diameter Acrylic Vessel

Support Structure for 9500 PMTs, 60% coverage UrylonLiner and Radon Seal

νννν R e a c ti o n s i n S N O

NC xx

ν ν

++⇒+npd ES-- +⇒+e

ν

e

ν

xx -Bassastatistica -Principalmenteper i ν e -menoper i ν µand ν τ -Forte poteredipuntamento

-Forniscespettroenergeticodeiν e -Direzionalitàpovera∝1-1/3cos(θ) -Solo ν e -Misuradel flussototale8 B -Stessasezioned’urtoper tuttii sapori

CC- epd++⇒+

ν

ep

Altro esempio di rivelatore che utilizza luce Cherenkovcome principio di rivelazione e i fotomoltiplicatori come rivelatori: Antares, in Europa. Rivelatore di neutrini astrofisici (TeVneutrinos)

L u c e C h e re n k o v d a i µ (a n d τ ? ) L u c e C h e re n k o v d a i µ (a n d τ ? )

•EventoCC: νµ+ N →µ+ X •Background: deiµatmosferici

A n ta re s : ri v e la z io n e d i s c ia m i E M e d a d ro n ic i A n ta re s : ri v e la z io n e d i s c ia m i E M e d a d ro n ic i

ν+ N →ν+ X (NC) νe+ e →νe+ e (CC,NC) ⇒basso poteredipuntamentoin questocaso.

A lt ri t ipi di r iv el at or i non tr at tat i

•Rivelatori “radiochimici” per i neutrini solari; •Rivelatori per NDBD (doppio beta senza ν) •Rivelatori “risonanti”