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K2KEsperimento Long Baseline di oscillazione di neutriniCorea-Giappone-Europa-Russia-Stati UnitiGRUPPO K2K DI ROMAUniversità La Sapienza e I.
N.F.N.U. Dore, P.F. Loverre, L. LudoviciLaureandoC. MarianiI NEUTRINIIl neutrino è una delle particelle elementari che formano la materia conosciuta. Tra tutte ècertamente quella le cui proprietà sono meno conosciute. I neutrini sono simili all'elettronecon una fondamentale differenza: non hanno carica elettrica e quindi non sono sensibili allaforza elettromagnetica ma solo alla forza nucleare debole oltre che alla gravitazione se, comesembra, hanno una massa non nulla. L'esistenza del neutrino fu ipotizzata da W.Pauli nel1930 per spiegare lo spettro continuo degli elettroni e l'energia apparentemente mancante neldecadimento nucleare b. L'elettrone sarebbe stato emesso nel decadimneto insieme ad unanuova particella mai osservata. E' a Fermi che si deve la prima teoria dei decadimenti b, nel1934, oltre che il nome stesso neutrino per la nuova particella Poiché la sezione d'urto di unneutrino, cioè la sua probabilità di interazione, è miliardi di volte più piccola di quella di unelettrone, si dovette aspettare il 1956 perchè un esperimento condotto da Reines e Cowan ad unreattore nucleare, provasse l'esistenza del neutrino. Oggi sappiamoche oltre al neutrino elettrone ne esistono altri due tipi, detti anchesapori, chiamati neutrino muone e neutrino tau dal nome dei leptonicarichi a cui sono associati nelle rispettive interazioni.
Esiste unneutrino per ciascuna delle tre famiglie in cui si dividono le particelleelementari e sappiamo che non possono esistere altri neutrini, a menoche non abbiano proprietà molto diverse dai neutrini che conosciamo.Così come i fotoni prodotti nel Big Bang costituiscono la radiazione cosmica di fondo,sappiamo che in ogni metro cubo devono esserci oltre trecento milioni di neutrini prodotti nelBig Bang. Nello stesso volume c'è in media meno di un protone pertanto, anche avendo unamassa molto piccola, i neutrini costituiscono una frazione importante della materia conosciuta.LE OSCILLAZIONI DEI NEUTRINII diversi tipi di neutrino possono trasformarsi l'uno nell'altro mentre si propagano. Questofenomeno, chiamato oscillazione dei neutrini, può prodursi solo se i neutrini hanno massa. Sesi considera l'oscillazione di un pendolo come l'analogia dello stato quantistico di un certo tipodi neutrino, le oscillazioni accoppiate, in cui l'oscillazione di un pendolo si trasferisce neltempo ad un altro pendolo, è l'analogo classico del fenomeno quantistico delle oscillazione deineutrini. La produzione e la rivelazione di un neutrino avvengono attraverso una interazionedebole e pertanto il neutrino si trova in uno autostato debole, detto anche sapore: elettrone,muone o tau. Viceversa, nello spazio percorso tra la produzione e la rivelazione i neutrini sipropagano nei loro autostati quantistici di massa che non necessariamente coincidono con gliautostati deboli. Se consideriamo per semplicità solo due sapori, ne e nm, i sapori sono legatiagli autostati di massa n1 e n2 da una rotazione il cui angolo Qè chiamato angolo di mescolamento. Se un neutrino di saporeelettrone si propaga per una distanza L avrà una probabilitàne = cos Q |n1> + sin Q |n2>nm= -sin Q |n1> + cos Q |n2>P(e®e), chiamata anche probabilità di sopravvivenza, di trovarsi ancora nello sapore iniziale euna probabilità P(e®m) = 1 - P(e®e) di trovarsi nel sapore muone. In altre parole dopo averP(e®e) = 1 - sin22Q sin2 (k Dm2 L/E)Dm2 = m22-m12, k = 1.27 GeV/(eV2 Km)percorso una certa distanza, solo una frazione deineutrini sopravvive nel sapore iniziale, mentre glialtri sono oscillati in un altro sapore.In realtà con tre sapori la rotazione diventa una matrice unitaria 3x3 e nelle formule, piùcomplicate, compaiono tre angoli di mixing, due differenze di masse al quadrato (la sommadelle tre differenze di masse al quadrato essendo ovviamente nulla) e una fase complessa.COME SAPPIAMO CHE I NEUTRINI OSCILLANO ?Nel 1968 Davis trovò che il flusso dei neutrini emessi dal sole era circa un terzo di quelloaspettato. L'esperimento di Davis era sensibile al solo neutrino elettrone e l'ipotesi che ildeficit fosse dovuto all'oscillazione dei neutrini elettroni prodotti nel sole in altri sapori è statadibattuta per decenni rispetto all'attendibilità dei calcoli dei flussi di neutrini dal sole. Gliesperimenti Kamiokande e Super-Kamiokande in Giappone, Gallex in Italia e SAGE in Russia,hanno nei decenni successivi confermato il deficit dei neutrini solari. Nel 2002 l'esperimentoSNO in Canada ha rivelato la presenza di neutrini muone e tau nel flusso di neutrini provenientidal sole. Pochi mesi fa l'esperimento KamLand in Giappone ha misurato che il flusso diantineutrini elettrone emessi dai reattori nucleari si riduce a grande distanza in modoesattamente compatibile alla riduzione osservata dei neutrini elettrone emessi dal sole.15 Km500 Km13,000 KmNel 1988 l'esperimento Kamiokande ha osservato che il rapporto trail flusso dei neutrini muone ed elettrone prodotti nell'atmosferaterrestre è molto più basso del valore aspettato 2:1. Nel 1998l'esperimento Super-Kamiokande ha scoperto che il flusso deineutrini muone provenienti dall'alto, che percorrono circa 15chilometri, è quello aspettato, mentre i neutrini muone cheprovengono da distanze maggiori sono meno di quelli aspettati e inparticolare quelli provenienti dal basso, che percorrono circa 13,000chilometri, sono circa la metà. Diverse misure dei flussi di neutriniin funzione della distanza percorsa e in funzione dell'energia sonocompatibili con una sparizione dei neutrini muone dovuta alle oscillazioni e in particolare conl'oscillazione dei neutrini muone in neutrini tau.COS'E' K2K ?L'esperimento K2K (KEK to Kamioka) è il primo esperimento Long Baseline. Utilizza unfascio di neutrini prodotto da un acceleratore del laboratorio KEK, nella prefettura di Ibaraki inGiappone, e il rivelatore Super-Kamiokande, nella prefettura di Gifu, distante circa 250 Km. Ilflusso di neutrini muone prodotti e le contaminazioni di altre specie di neutrini sono misuraticon grande precisione da un insieme di rivelatorivicini prima di propagarsi per una lunga distanza f(dacui il nome Long Baseline) fino al rivelatore Super-Kamiokande. Lo scopo è confermare o smentire leindicazioni che i neutrini hanno massa e in particolareil deficit dei neutrini muone prodotti nell'atmosferamisurato da Super-Kamiokande. Un intenso fascio diprotoni accelerati a 12 GeV producono su un bersagliodi alluminio dei pioni positivi che sono focalizzati in untunnel di decadimento lungo 200 m, dentro in qualedecadono in muoni e neutrini muone. Un beam dumprivelatore vicino e, dopo meno di un millisecondo,raggiungono Super-Kamiokande. A causa dellacurvatura terrestre il fascio di neutrini a KEKpunta verso il basso per circa un grado e mezzo epertanto il rivelatore vicino e collocato circaquindici metri sotto il livello del suolo.assorbe tutte le particelle cariche in modo che solo i neutrini emergono dal tunnel, attraversano ilCOS'E' SUPER-KAMIOKANDE ?Super-Kamiokande è costituito da un rivelatore cilindrico di 39 m di diametro e 42 m di altezzacontenente 50,000 tonnellate di acqua. Il rivelatore è situato nella miniera di Kamioka, inGiappone, sotto un chilometro di roccia che lo scherma dai raggi cosmici. L'acqua costituisceil bersaglio per l'interazione dei neutrini ed è contemporaneamente il rivelatore. Le particellecon velocità bc maggiore della velocità c/n della luce in acquaemettono luce cosiddetta Cherenkov, che viene rivelata da oltre11,000 fotomoltiplicatori di 50 cm di diametro che coprono il40% della superficie interna del cilindro. I fotomoltiplicatorisono sostenuti da una struttura distante 2.7 m dalle pareti chesostiene anche circa 1,800 fotomoltiplicatori di 20 cm didiametro rivolti verso l'esterno, utilizzati come veto. Questostrato di acqua esterno al rivelatore vero e proprio costituisceanche uno schermo per i neutroni prodotti nelle interazioni deiraggi cosmici nella roccia circostante. Misurando la quantità diluce e i tempi di arrivo ai fotomoltiplicatori è possibile ricostruirel'energia e la direzione delle particelle. La luce Cherenkov èemessa intorno alla direzione della particella in un cono di circa45o di apertura e pertanto illumina i fotomoltiplicatori in unaregione anulare sulla superficie del rivelatore. La separazionemuone-elettrone è ottenuta dalle diverse caratteristiche di questaregione anulare di luce per un muone e per la convoluzione dellecentinaia di tracce che costituiscono lo sciame elettromagnetico prodotto in acqua da un elettrone.IL RIVELATORE VICINO DI K2KLo scopo del rivelatore vicino è quello di misurare con grande precisione il flusso, lo spettro ela composizione del fascio di neutrini prodotti a KEK. Questo consente di calcolare il flussoche deve essere osservato in Super-Kamiokande in assenza di oscillazioni. Se durante lapropagazione i neutrini oscillano, il flusso e lo spettro dei neutrini osservato in Super-Kamiokande sarà diverso da quello calcolato sulla base dell'analisi dei dati del rivelatorevicino. Il rivelatore vicino è costituito da un rivelatore Cherenkov, replica in scala di Super-Kamiokande, con una massa di 1,000 tonnellate, seguito da unrivelatore di acqua e fibre scintillanti (SciFi). Un calorimetrotracciante leggero SciBar, completato da un Tail Catcher(quest'ultimo responsabilità del gruppo di Roma) verrannoinstallati nei prossimi mesi. Un Muon Ranger per misurarel'impulso dei muoni completa il rivelatore. Questo insieme di ri-SciBarTailCatchervelatori consente di portare a termine diverse analisi per lacomprensione, oltre che del flusso, dello spettro e dellacomposizione del fascio di neutrini prodotto, anche delle proprietàdelle lorointerazioni. In questo modo è possibile controllare glierrori sistematici nella determinazione del numero e dello spettrodelle interazioni di neutrini attese in Super-Kamiokande in assenzadi oscillazioni. L'accuratezza dell'estrapolazione tra il flussoosservato nel rivelatore vicino e il flusso aspettato in Super-Kamiokande dipende dalla comprensione delle proprietà delleinterazioni di neutrini.OSCILLAZIONI E K2KNei primi due anni di presa dati l'analisi delle interazioi di neutrino raccolte nel rivelatorevicino di K2K ha come risultato che 80.1 eventi sono aspettati in Super-Kamiokande in assenzadi oscillazioni. Nello stesso periodo Super-56 eventi FC osservati (30 1-ring + 26 multi-ring)80.1 eventi +6.2 FC aspettati-5.4 Prob(null.oscill.)<1.3%Kamiokande ha osservato solo 56 eventicompletamente contenuti (FC). Laprobabilità che il deficit osservato sia causatoda una fluttuazione statistica è inferiore all' 1.3%. Se si considerano solo gli eventi con unsolo anello (1-ring) per i quali è possibile ricostruire l'energia del neutrino incidente, lo spettro1-ring eventsBest FitNo oscill. (F free)No oscill. (F expected)osservato è meglio descritto dalla curva chedescrive lo spettro distorto dalle oscillazioni (BestFit) di quanto non lo sia dalla curva in assenza dioscillazioni in cui la normalizzazione è lasciatalibera (F free). Il deficit osservato è compatibilecon il deficit dei neutrini atmosferici osservato daSuper-Kamiokande. Si tratta della primaconferma in una sorgente di neutrini controllatadelle oscillazioni dei neutrini atmosferici. K2KII,il cui run è cominciato da pochi mesi, sarà ingrado di stabilire in modo univoco il fenomenodelle oscillazioni di neutrini e di osservare conmaggior statistica la distorsione dello spettro deiBest Fit:Dm2=2.8 10-3eV2, 90% CL per full mixing +1.1-1.3neutrini che è la dipendenza dall'energia firma caratteristica delle oscillazioni.LA PARTECIPAZIONE DI ROMARoma partecipa dall'inizio a questa seconda fase, K2K-II,dell'esperimento. Il gruppo ha proposto alla collaborazionela realizzazione del Tail Catcher. Questo rivelatore, di cuiRoma ha la responsabilità, sarà installato nei prossimi mesinel rivelatore vicino insieme al nuovo rivelatore SciBar.Oltre che avere la completa responsabilità del software disimulazione e ricostruzione del Tail Catcher, il gruppopartecipa allo sviluppo del software per il rivelatore SciBar.I componenti del gruppo sono inoltre interessati a diverselinee di ricerca nell'analisi dei dati, tra cui le interazioni dicorrente neutra nel rivelatore SciBar, lo studio e lasimulazione del fascio di neutrini, l'estrapolazione tra ilrivelatore vicino e lontano.Supporto del Tail Catcher.Disegno Gargiulo-Zullo.CONTATTIUbaldo Dore III-S204 06.49914404 Ubaldo.Dore@roma1.infn.itPier Ferruccio Loverre III-S207 06.49914407 Pier.Loverre@roma1.infn.itLucio Ludovici I-11/B 06.49914531 Lucio.Ludovici@roma1.infn.itTESI DISPONIBILIStudio delle interazioni di neutrini nel rivelatore SciBar in K2KStudio delle interazioni dei neutrini e in particolare della produzione di po nelle interazioni di correnteneutra nel nuovo rivelatore SciBar, installato nella prossima estate nel rivelatore vicino di K2K a KEK.Calibrazione del Tail Catcher del rivelatore SciBar in K2KSviluppo della procedura di calibrazione in energia in situ, mediante l'analisi dei muoni cosmici, delcalorimetro Tail Catcher che il gruppo di Roma sta installando nel rivelatore SciBar in K2K.Il lavoro di tesi richiede brevi periodi di soggiorno nel laboratorio KEK a Tsukuba e presso il rivelatore Super-Kamiokande, a Kamioka.Gli esperimenti di oscillazione, come K2K, non possono misurare il valore assoluto delle massedei neutrini ma solo le loro differenze. D'altra parte se, come sembra dalle prove sperimentaliaccumulate finora, i neutrini oscillano, allora devono necessariamente avere una massa nonnulla. La differenza di massa misurata nelle oscillazioni dei neutrini solari è di circa 0.01 eV,mentre quella misurata nelle oscillazioni dei neutrini atmosferici è di circa 0.05 eV.
m0Smn @ Dmatm Smn @ 2 Dmatm Smn @ 3 mooeV Per la scala assoluta mo abbiamo solo un limite superiore mo=0.23 eV che viene da misuredella anisotropia della radiazione di fondo cosmica o il limite mo=2.2 eV che viene dallamisura dell'end point dello spettro del decadimento b del Trizio. Il primo limite, insieme allemisure di oscillazione dei neutrini, individua per la somma delle masse dei tre neutrini unaregione di valori possibili Smn = [0.05-0.7] eV.QUAL E' LA MASSA DEI NEUTRINI ?Smn @ Dmatm Smn @ 2 Dmatm
eVNel novembre del 2001 il rivelatore Super-Kamiokande ha subito un gravissimo incidente che haprovocato la distruzione di due terzi dei fotomoltiplicatori. In poco più di un anno il rivelatore èstato riparato ed è tornato a funzionare con metà dei fotomoltiplicatori (una copertura del 20%invece del 40%), una configurazione perfettamente sufficiente per gli obiettivi di K2K. Lacollaborazione ha approfittato di questa forzata interruzione per apportare migliorie al rivelatorevicino e la presa dati di K2K-II è ripresa con pieno successo a dicembre 2002.K2K-IISuper-Kamiokande durante la costruzione
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