Esperimenti di fisica del neutrino(*): risultati e prospettive

Esperimenti di fisica del neutrino(*): risultati e prospettive
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L’era della precisione nella fisica del neutrino
Esperimenti long baseline: MINOS, OPERA, ICARUS
La rivoluzione di 13: reattori e acceleratori
Il prossimo obbiettivo: la gerarchia di massa
Un nuovo protagonista: la misura di precisione di 23
La violazione di CP nel settore leptonico
L’era delle misure di precisione dei parametri di mixing e’ stata molto piu’ breve
del previsto per... una serie di fortunate coincidenze  Cosa è avvenuto
esattamente? Quanto bene conosciamo oggi il mixing leptonico?
Quale sarà il ruolo delle sorgenti artificiali di neutrini ora che il focus si è spostato
sullo studio della massa assoluta e sulla violazione di CP ?
(*) soprattutto da sorgenti artificiali. V. Sezione II per le sorgenti naturali.
F. Terranova – Univ. di Milano-Bicocca e INFN Sez. di Milano-Bicocca
Fisica di precisione nel settore leptonico
La scoperta delle oscillazioni
di neutrino (SuperKamiokande,
Macro, SNO, Kamland)
Fisica di precisione al leading order (K2K,
MINOS, CNGS, Borexino)
Misurare precisamente i parametri
che dominano le oscillazioni dei
neutrini atmosferici
La rivoluzione di
13 (DoubleChooz,
RENO, Daya-bay,
T2K)
Testare in modo diretto il fenomeno delle
oscillazioni
con
sorgenti
controllate
artificialmente
K. Lang [MINOS coll] @ Nutel 2013
MINOS
Anti-nu enriched beam (CPT test)
Parametri “leading” misurati con
precisione <5%
OPERA
L’unico esperimento in grado di osservare
esplicitamente le oscillazioni nm nt in quanto:
Il fascio di neutrini dal cern al gran sasso (CNGS) ha un
energia molto superiore alla soglia cinematica di
produzione del leptone tau
Il rivelatore e’ equipaggiato con emulsioni nucleari per
osservare il decadimento del tau evento per evento
Ha un rapporto segnale fondo eccezionale (S/N 7-21 a
secondo del canale di decadimento)
V. Talk di A. Di Crescenzo
Evidenza di appearance del tau a 3.5
sigma. Combinato con analisi inclusiva
di SuperKamiokande, evidenza >6
sigma.
ICARUS @ LNGS
CNGS
beam
primary vertex
Low energy electrons:
kaon
σ(E)/E = 11% / √ E(MeV)+2%
cathode
Electromagn. showers:
σ(E)/E = 3% / √ E(GeV)
Hadron showers:
Induction
σ(E)/E ≈ 30% / √ E(GeV)
Collection
3D reconstruction
p
K

μ
Neutrino Telescopes, 11-15 March 2013
dE/dx based
PID
6
La misura di 13 : una ricerca durata 15 anni
durata
Un
“piccolo
effetto”
subdominante rispetto alle
oscillazioni nm nt alla scala
degli atmosferici (1-10 GeV)
Dal 2012 sappiamo che quest’angolo non e’ affatto piccolo: è dell’ordine dell’angolo
di Cabibbo! Questa scoperta ridefinisce completamente le strategie per la fisica dei
neutrini agli acceleratori (v. e.g. Battiston, Mezzetto, Migliozzi, Terranova,
Riv.Nuovo Cim. 033 (2010) 313)
La misura di 13 ai reattori nucleari
Implementare la tecnica near-far così comune agli acceleratori anche per le misure di
disappearance ai reattori nucleari: cancellazione delle sistematiche sui flussi
Daya Bay (China)
RENO (Korea)
Double-Chooz (France)
L’esperimento T2K
M. Wilking [T2K coll] @ EPS 2013
Evidenza a 7 sigma del appearance del neutrino elettronico
(T2K@EPS2013 con 6.4 1020 protons-on-target)
Un interessante paradosso: la natura ha scelto
13 cosi’ grande che è più facile vedere
l’appearance di nuovi flavor con il canale
subdominante nm ne piuttosto che con quello
dominante nm nt (leptone tau difficile da
osservare sperimentalmente)
Il mixing leptonico nel 2013
M.C. Gonzales Garcia et al., NuFit 2013
and JHEP 12 (2012) 123
La gerarchia di massa dei neutrini
Un parametro cruciale per: capire se le relazioni tra massa e mixing seguono le stesse
relazioni dei quark e di enorme importanza pratica per determinare la massa assoluta dei
neutrini e comprendere se i neutrini sono particelle di Dirac o di Majorana
Effetti di materia nelle oscillazioni
Agli acceleratori: NOVA (US)
Dm232  Dm132
Con gli atmosferici: INO (India)
Ai reattori: JUNO (China)
Un approccio più aggressivo
Nessuno di questi esperimenti ha sensibilità alla gerarchia di massa superiore a 3.5 sigma,
anche con assunzioni ottimistiche sui parametri del rivelatore. Forse è necessario un
approccio più aggressivo: un esperimento agli acceleratori di nuova generazione con
sensibilita’ alla violazione di CP (giustifica il costo esorbitante O(1) GEuro) e ragionevole
certezza (sensibilità a priori >5 s) di ottenere una misura conclusiva della gerarchia di massa
PRO:
Misura conclusiva
Programma di fisica completo (CPV,
mass hierarchy, octant ambiguity)
CONTRO:
Tempi lunghi (>2020)
Rischio che la mass
frattempo venga misurata
Costi altissimi
hierarchy
Essenziale: baseline lunghe (>1500
km) per avere CPV e mass hierachy
simultaneamente ma per CPV
baseline relativamente corte sono
altrettanto vantaggiose (Dusini,
Longhin, Mezzetto, Patrizii, Sioli,
Sirri, Terranova, Eur. Phys.J. C73
(2013) 2392)
R. N. Cahn et al., arXiv:1307.5487
nel
La violazione di CP nel settore leptonico
Osservabile attraverso i termini subdominanti delle oscillazioni nm ne (esse stesse
subdominanti rispetto a nm nt ): un effetto sub-subleading nelle oscillazioni dei
neutrini a energie >1 GeV. Anche questa misura è resa più facile dal valore elevato di
13 (maggiore statistica anche se il termine leading è CP independent)
Richiede:
• Rivelatori molto massivi ( O(100 kton) di liquid argon o 1 Mton Water
Cherenkov) ) combinati a fasci convenzionali ma di altissima intensità (
O(1 MW) )
oppure
• Nuove tecniche di accelerazione (Neutrino factories, Beta beam)
E’ lo stesso dilemma della gerarchia di massa... l’uovo oggi o
la gallina domani? 
Short baseline
Superbeams
Low energy
Neutrino Factory
Long baseline
Superbeams
35 kton
10 kton
I tempi forse non sono maturi per una decisione definitiva (studio dettagliato delle
sistematiche) ma 13 grande è un incentivo enorme per l’utilizzo delle tecnologie di
accelerazione tradizionali (“Superbeams”)
Conclusioni
Dopo l’epoca d’oro della scoperta delle oscillazioni di neutrino (1998-2003) ci si aspettava un
lungo e quieto periodo di misure di precisione. In realtà le cose sono andate molto meglio del
previsto
• Abbiamo evidenza empirica fortissima della comparsa di nuovi flavor sia nel canale nm nt
sia in quello nm ne
• Conosciamo tutti i parametri delle oscillazioni con precisioni <10%. Fanno eccezione la fase
di violazione di CP (ignota al momento) e quelle di Majorana (inaccessibili con le
oscillazioni di neutrino)
• Non conosciamo la gerarchia di massa dei neutrini né la loro massa assoluta (che comunque
e’ sicuramente <1 eV)
• Ancora una volta la natura è stata benevola con noi: 13 è molto grande (9°). E’ una nuova,
inattesa, rivoluzione nel nostro settore
 13 grande rende la misura della gerarchia di massa “a portata di mano” anche se
nessun esperimento a basso costo (<100 MEuro) e’ in grado di garantire una scoperta a 5
sigma
 tutte le condizioni che rendono osservabile la violazione di CP sono soddisfatte: tutti gli
angoli di mixing sono  0 e Dm122 / Dm232  1/40 è sufficientemente grande)
Non sappiamo ancora qual’è la miglior tecnologia per osservare CPV ma è probabile che
il primo vero esperimento di CP con neutrini sarà un Superbeam con un rivelatore molto
massivo
Ovviamente la fase di CP potrebbe essere troppo piccola per essere visibile ma...
i neutrinisti sono molto fortunati e la fortuna aiuta gli audaci... You do the math 
Un protagonista inatteso: 23
Conosciamo bene sin2 2 23 dalle misure di SuperK, MINOS e T2K (nm nm ) ma e’
difficile sapere se 23 e’ maggiore di 45 o minore (“octant ambiguity” (*) ).
Al momento abbiamo troppi parametri liberi:
• La gerarchia di massa: Dm232 > 0 (“normal
hierarchy”) e Dm232 < 0 (“inverted hierarchy”) sono
ugualmente probabili
• La fase di violazione di CP completamente ignota
• L’octant ambiguity (quadrante di 23 )
Quali di questi parametri potrà essere
determinato più rapidamente?
(*) G. Fogli, E. Lisi, Phys.Rev.D54 (1996) 3667
V. Barger et al., Phys.Rev. D65 (2002) 073023