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MINICURSOS DE INTRODUCCIONI Escuela Peruana de Física de Altas Energías

y CosmologíaSabado 20 de junio de 2015

Introducción a Física de Neutrinos

Carlos Javier Solano SalinasUniversidad Nacional de Ingeniería

Lima, Perú

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TEMASTEMAS

Física Moderna Modelo Estándar Historia del Neutrino Revolución del SNO-SK Oscilaciones de neutrinos Detector MINERA Revisión de la Física del MINERA MINERA y las Oscilaciones Estado del MINERA y Conclusiones

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Dos revoluciones científicas en la primera mitad del siglo XX

RelatividadRelatividad Especial

• No podemos alcanzar a la luz.

• Masa es una forma de energía: E = m c2

Relatividad General

• GR abarca gravedad y describe el universo en expansión y los

agujeros negros.

Mecánica CuánticaPara describir cualquier cosa tan pequeña como un

átomo se requiere el uso de la Mecánica Cuántica.

Principio de incertidumbre de Heisenberg

FÍSICA MODERNAFÍSICA MODERNA

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Uno de los grandes logros intelectuales de la segunda mitad del siglo XX

Está basada en la Teoría Relativista

de Campos Cuánticos (QFT)

La primera QFT fue la teoría cuántica de Electricidad y Magnetismo (QED)

MODELO ESTÁNDARMODELO ESTÁNDAR

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~29 físicos de partículas ganaron el Nobel por descubrimientos experimentales y avances teóricos que llevaron a nuestro conocimiento presente

El boson de Higgs!!

La teoría actual describe las fuerzas y partículas conocidas, con una excepción importante: gravedad

LAS PARTÍCULAS ELEMENTALESLAS PARTÍCULAS ELEMENTALES(que conocemos hasta ahora)(que conocemos hasta ahora)

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Para resolver objetos muy

pequeños, necesitamos el uso de

muy alta energía.

(Heisenberg de nuevo)

Por eso necesitamos aceleradores

gigantes.

Colisiones a energías muy altas

crean nuevas partículas

(E=mc2 de nuevo)

SENTIDO DE ESCALASENTIDO DE ESCALA

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Propuesto por W. Pauli (1930) para explicar el espectro continuo de los electrones en la desintegración β de los neutrones

n p + e- + e

con ~ 10-44 cm2

E. Fermi (1933-34) -> teoría del decaimiento beta (interacciones débiles, neutrinos, cambios de sabor)

C. Cowman y F. Reines -> e (1956), Nobel 1995

L.Lederman, M.Schwartz, J.Steimberger ----> (1962),(1975), Nobel 1988

HISTORIA DEL NEUTRINOHISTORIA DEL NEUTRINO

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La revolución del Neutrino (1998 - ….)

Neutrinos tienen masa diferente de cero

Mezcla de leptones!

REVOLUCIÓN DEL NEUTRINOREVOLUCIÓN DEL NEUTRINO

El Sol visto con neutrinos

Neutrinos del Sol: trillones/seg

Neutrinos del Big Bang:

10 millones dentro de nosotros

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Los constituyentes de la materia:Quarks, leptones cargados, neutrinos

Además de los neutrinos, el menos masivo de esos constituyentes es el electrón

Pero la m ~ 10-(6-7) me

La masa de los neutrinos, aunque no es cero, es muy muy pequeñaaaaa

NEUTRINOS SON ESPECIALESNEUTRINOS SON ESPECIALES

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Los ángulos de mezcla de los quarks son pequeños

pero los ángulos de mezcla leptónicos son grandes

Los quarks y los leptones cargados, siendo eléctricamente cargados, no pueden ser sus propias antipartículasNeutrinos pueden ser sus propias antipartículas:

=

La masa de los neutrinos probablemente tiene un origen diferente que las masas de los otros constituyentes de la

materia

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Los fotones y los neutrinos son las partículas mas abundantes del Universo

Si deseamos entender el Universo debemos entender los neutrinos

Los neutrinos han jugado un rol en el modelamiento de la estructura de gran escala del Universo

Observaciones de esa estructura ha proporcionado información de la existencia de masa en los neutrinos

El mecanismo See-Saw predice neutrinos pesados, primos de los neutrinos livianos

El exceso de esos neutrinos pesados en el Universo primogenio puede haber dado origen al exceso de materia

sobre anti-materia en el Universo actual

LOS NEUTRINOS Y EL UNIVERSOLOS NEUTRINOS Y EL UNIVERSO

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Probabilidad [N e- + ...] Probabilidad [N e+ + ...]

materia antimateria

Son los neutrinos el origen de la Asimetría Materia-Antimateria del Universo?

PARA DEMOSTRAR QUE Decaimiento Doble Beta sin Neutrinos [0]

e- e-

i

i

i

W- W-

Nucleo Nucleo´

LEPTOGÉNESIS

Procesos Nucleares

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OSCILACIONES DE OSCILACIONES DE NEUTRINOS EN EL VACÍONEUTRINOS EN EL VACÍO

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Los sabores conocidos de neutrinos: e

Cada uno de ellos es asociadocon el correspondiente

lepton cargado: e

Neutrinos vienen al menos en tres sabores

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El significado de esta asociación

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En distancias cortas los neutrinos no cambian de sabor

Viaje corto

Esto no ocurre!!

Pero si los neutrinos tienen masa, y los leptones se mezclan, ocurren cambios en el sabor de los neutrinos en viajes largos

Neutrinos Atmosféricos

Isotropia de rayos cosmicos > 2 GeV + Ley de Gauss + No desaparecimiento de

Pero Super-Kamiokande (Japon) encuentra para E > 1.3 GeV

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Observando Neutrinos

Super-Kamiokande, detector de neutrinosDavis y Koshiba, Nobel 2002

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Neutrinos SolaresReacciones nucleares en el núcleo del Sol producen

e

Solamente e

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El experimento Homestake (USA) solo podía detectar

e. Encontró:

Las posibilidades eran:

La teoría estaba errada

El experimento estaba errado

Ambos estaban errados

Ninguno estaba errado. 2/3 de los e cambian a un sabor

de sabores que el experimento Homestake no podía ver

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De donde viene la masa de los neutrinos?

1 TeV

1 GeV

1 MeV

1 KeV

1 eV

1 meV

tb

cs

due

Masas de quarksy leptons

Por 60 años pensamos que los neutrinos no tenían masa, como el fotón.

Ahora sabemos que tienen masa.

Pero como esa masa puede ser mucho menor que cualquier otra masa?

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Asumamos que los neutrinos tienen masa y mezcla leptónica

Neutrinos con masa -

Hay algún espectro de 3 o mas autoestados i de masa de

neutrino:

1 2

(Masa)2

3 4

Masa (i ) = m

i

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De acuerdo al Modelo Estándar, extendido para incluir masa en los neutrinos y mezcla leptónica -

El número de diferentes i es igual al número de

diferentes l (3)

La matrix de mezcla U es 3x3 y unitaria

Algunos modelos incluyen neutrinos “esteriles”, que no experimentan ninguna fuerza conocida excepto la gravedadEn esos modelos N > 3

i y U es NxN

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La descripción de las interacciones del neutrino, según el Modelo Estándar (sin incluir masa ni mezcla leptónica), está bien confirmadaAsumamos que es correcto y extendámoslo para incluir mezcla (mixing)

Para el acoplamiento de leptones al boson W tenemos:

Tomando en cuenta la mezcla

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En el sistema de Laboratorio -

El experimento fija L y t

Estos son comunes a todos los componentes del haz

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Probabilidad para Oscilación de Neutrinos en el Vacío

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28

Neutrino Spectrum

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Bases de los experimentos de Oscilaciones de Neutrinos

Como todos los experimentos de partículas, básicamente son experimentos de conteo

a) Creación de partículas secundarias ej: p N > n +- + X Modelo/Incertezasb) Decaimiento y proyección de secundarias

ej: Entendido

c) Oscilación o nueva Física A ser medido

d) Interacción en el detector Corriente cargada (CC) N > lX Modelo /

Corriente neutra (NC) N > X Incertezas

e) Medidas en el detector Problemas usuales

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¿Como se pesa un Neutrino?

Prob.

of

Prob.

of

Distancia recorrida

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El haz de neutrinos NuMI

Primary Features

•Protones de 120 Gev extraidos del Main Injector

• STE - 8.67 µs spill, 1.9s rapidez de repetition

• Nueva linea de haz de ν - haz intenso

• 2.5 1013 protones/spill

• 300kW haz primario de protones

• Energia de Neutrinos es calibrable

• Intensidad inicial 2.5 1020 protones/anho

At startup

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Haz NuMI

• Protones de 120 GeV extraídos del MI para el tunel del haz NuMI

• 3.3° downward bend – haz debe apuntar a Soudan

• Incidencia en blanco de grafito

• Focaliza mesones cargados (π, K) con dos horns magnéticos pulsados con 200kA

• Tubo de acero de 675m de largo para decaimiento de pions (1.5 Torr, encajonado en 2-3m concrete)

• Absorvedor de Hadrones delante del tubo de decaimiento

• 200m rock delante del detector cercadno (ND) para absorción de muones

• Energía del haz controlada moviendo 2do horn relativo al blanco. Polaridad selecciona ν, anti-ν

Protones

π, K ν

NuMI Variable Energy Beam• El blanco de NuMI montado en un rail para posicionamiento remoto• Variando posicion del blanco con respecto a los “cuernos” permite

modificar la energia de los neutrinos• Cambiando la polaridad de la corriente de los “cuernos” produce haces

de neutrinos y de antineutrinos

p+

+p

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Experimento MINOS

Haz νμ de alta intensidad del Fermilab a Soudan (Mn)

Dos detectores, Cercano (1kT) y Lejano (5.4kT)

Medida Primaria: Comparar espectro de energía ν en el detector lejano (FD) a lo esperado, sin oscilación, del haz y detector cercano (ND)

• Observar oscilacion mínima

• Confirmar el comportamiento oscilatorio en sector νμ

• Medida de Δm232 al ~10%

• Búsqueda de evidencia de oscilaciones νμ → νe

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Motivación: Estamos en un periodo de medidas de alta precisión de oscilación de neutrinos

Medidas de Oscilación:-Para haz NuMI/MINOS, se espera distorsión en la distribución de energía de para E < 3 GeV-Probabilidad de Oscilación depende en E … Sin embargo experimentos miden Evis

-Evis depende del flujo, , y respuesta del detector Interacciones múltiples y tipo de partícula producido

Complicaciones:Flujos cercano/lejano son diferentes > Sección Eficaz no cancela en el radio

Sección Eficaz de Baja Energía (pocos GeV) no es bien entendida - Existen pocos datos: Cámara de Burbujas > poca estadística y gran error sistemático - Se necesitan datos con alto A (ej. Fe). Debemos usar modelos no probados para incorporar efectos nucleares

“Solución”: MINERA – Colocar un detector de grano fino en un haz de neutrinos de alta intensidad - NuMI Beamline

3636

MINERAInstituciones

MINOS

T2K

NOVA

Nuclear

Theory

MINERVA

Irvine

TuftsWilliam & Mary

FNALDuluthTexasAthens

Pitt

Rochester

HamptonValparaiso (Chile)

James MadisonRutgers

Jefferson Lab

DortmundINR, Moscow

MCLA (Mass.)Otterbein

UNI (Peru)PUCP (Peru)CBPF (Brazil)

Guanajuato (Mex)

NorthwesternFlorida

MiniBooNE

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¿Cuales son la preguntas abiertas en la Física de Neutrinos?

¿Cuáles son las masas de los neutrinos?

¿Cuál es el patrón de mezcla entre los diferentes tipos de neutrinos?

¿Son los neutrinos sus propias antipartículas?

¿Violan los neutrinos la simetría CP? ¿Hay neutrinos “estériles”? ¿Tienen los neutrinos propiedades no esperadas o exóticas? ¿Qué pueden decirnos los neutrinos sobre modelos de nueva Física mas allá del

Modelo Estándar?

¡La respuesta a cada una de esas preguntas implica un entendimiento de la interacción de los neutrinos con la materia!

Estudio de la APS sobre los programas actuales y futuros del campo:

“Para un entendimiento preciso de la Física de oscilaciones de neutrinos y de la astronomía de neutrinos de fuentes cosmológicas se necesita conocmiento de las reacciones y secciones de producción de neutrinos en sus interacciones con la materia. Cualquier programa de Física de neutrinos se construye basada en un conocimiento preciso de como los neutrinos interaccionan con la materia”

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¿Qué es MINERvA? MINERνA propone construir un detector de precisión y altamente segmentado, con

tecnología simple, bien entendida …

MINOS ND

MINERA

… en el NuMI justo delante del

MINOS.

MINERA (Main INjector ExpeRiment -A)

Beam-line

MINERvAMINOSDIS2010

NuMI Beamline Graphic courtesy B. Zwaska

Tipos de Espectrometros

ATLAS-LHC Detector

Tipos de EspectrometrosLHCb-LHC Detector

Detector MINERA

VetoWall

LHe¼ ton

Blancos Nucleares con He, C, Fe, Pb, H2O,CHEn mismo experimento reduce errores sistematicos entre nucleos

Blanco centellador finamente segmentado ycompletamente activo. 8.3 tons, 3 tons fiducial

120 “modulos” planos. Masa total: 200 tons. Total canales: ~32K

MINOS Near Detector(Muon Spectrometer)

MINERA Spectrometer

El MINOS Near Detector es el MINERA Spectrometer

Minos(previamente instalado)

MINERvA Blanco de He - Helium Cryostat

Construccion de planos del detectorMINERvA en Wideband Hall

Tracking Scintillator Planes

Strips

WLS fiber glued into scintillator

Fibras reflejadas en extremo lejano. Extremo cercano terminado en conector óptico, pulido, con luz-dirigida.

Posicion determinada por carga compartida

Particula

3 diferentes orientaciones de strip

Nuclear Targets

5 blancos nucleares + blanco de agua Blanco Helio adelante del detector Cerca de millon de muestras de eventos

(haz LE 41020 POT

+ haz ME 121020 POT)

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Target Mass in tons CC Events (Million)

Scintillator 3 9

He 0.2 0.6

C (graphite) 0.15 0.4

Fe 0.7 2.0

Pb 0.85 2.5

Water 0.3 0.9

5 Blancos Nucleares: Fe Pb C

Blancos Nucleares

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5 Blancos Nucleares: Fe Pb C

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¿Qué va a proporcionar MINERA?

MINERvA es un detector de neutrinos compacto, completamente activo diseñado para estudiar interacciones neutrino-núcleo con una precisión nunca antes alcanzada

El detector MINERvA será puesto en la línea del haz de alta intensidad NuMI lo que proporciona:▼Oportunidad para medidas precisas de

interacciones de neutrinos▼Un amplio rango de energía de

neutrinos MINERvA, con diferentes blancos

nucleares, permitirán el primer estudio de efectos nucleares inducidos por neutrinos

MINERvA proporcionará informacióncrucial a medidas de oscilación actuales y futuras 0 production

C, Fe y PbBlancos Nucleares

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Programa MINERA de Fisica Scattering

Quasi-elastico Produccion de Resonancia - 1 Transicion Region Resonancia – na DIS Deep-Inelastic Scattering (DIS) Produccion Coherente de Pions Roduccion de Strange y Charm T , Funciones de Estructure y PDFs

▼ s(x) y c(x)▼PDFs de Alto-x

Efectos Nucleares Generalized Parton Distributions

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Física MINERA: Scattering de Neutrinos de Baja Energía

Contribuciones a la cross section total: TOT = QE+RES+DIS

QE: Quasi-elástica ->

RES: Resonancia ->

DIS: Deep Inelastic Scattering ->

Inelástica, estados finales de baja multiplicidad

Lipari, Lusignoli and Sartogo, PRL 74, 4384 (1995)

Inelástica, estados finalesde alta multiplicidad

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Eventos MINERA, Haz anti-

Eventos CCQE anti-Informacion buffered en el spill y leidas al final del spill Tiempo para diferentes slices (eventos)4th slice3 vistas, x (top), & VOuter calorimeterX vista de otros eventos

Evento con 0

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Mostrando vista X

QE

0

DIS

Anti- QE NC

++

Interpretaciones preliminares de acuerdo al tipo de interaccion de neutrinos que son.

Candidatos de eventos MINERvA

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Distribuciones en Haz Anti-, Anti-CCDatos vs MC

4.04 × 1019 POT en RHC, modo anti-Generator MC GENIE v2.6.0

Simulacion de detector en GEANT4 2 × 1019 POT MC , LE Beam MC anti-

flux, untunned Area normalizada

Requiere muones reconstruidos en MINOS

Resultados preliminares

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Distribuciones con las mismas condiciones que las anteriores

Distribuciones en Haz Anti-, CCDatos vs MC

Resultados Preliminares

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Latin american groups in MINERA

D.A.M. Caicedo, C. Castromonte, G.A. Fiorentini, H. da Motta, J.L. PalominoCentro Brasileiro de Pesquisas Físicas, Rio de Janeiro, Brazil

J. Felix, A. Higuera, Z. Urrutia, G. ZavalaUniversidad de Guanajuato, Leon Guanajuato, Mexico

A. M. Gago, J. L. Bazo, L. Aliaga, J. P. Velasquez, G. Diaz, M. J. Bustamante

Pontificia Universidad Catolica del Peru, Lima, Peru

K. Hurtado, M. Alania, A. Chamorro, A. Zegarra, G. Salazar C.J. Solano Salinas

Universidad Nacional de Ingeniería, Lima, Peru

W. Brooks, E. Carquina, G. Maggi, C. Peña, I. Potashnikova, F. ProkoshinUniversidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile

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Modulo Mapper

• Posicion de fibras

• Rpta. relativa de strip

• Atenuacion a largo del strip

Stage Movement

Sources Scan

Cs-137

Sources

Strip R

esponseAtenuacion para un Strip

Pb AbsorberStrip

Edge

Posicion de la fuente a lo largo del Strip57

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Detector MINERvA (cont.)

Vista Frontal

SideView

(Length is

about 4 m).

Hexágono Inner Detector (ID) – planos X, U, V

Outer Detector (OD) Capas de Fe/centellador para calorímetro hadrónico:

6 Torres

Vista lateral

Hojas Pb para calorímetro EM

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Detector MINERvA (cont.)

Detector interno totalmenteactivo. Tiras centelladoras. Planos alternadamente rotados por 60 grados para hacer 3 vistas (XUXV)

Elementos activos son barras triangulares 1.7x3.3 cm de centellador comprimido con fibras WLS 1.2 mm embutidas

Canal contador del Detector:31,000 canales

•80% en hexágono interior•20% en detector externo

503 M-64 PMTs - 64 canales128 piezas de centellador

por plano de Detector int.

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Óptica MINERvA (Centelladores y Óptica del Detector Interno, Detector Externo tiene óptica

similar pero tiras centelladoras rectangulares)

1.7 × 3.3 cm2 strips

lectura de la fibra

Wave Length Shifting

(WLS) en hoyo central

Para el Detector Interior, centellador es armado con planos de 128 strip

centelladores

Posición determinada por la carga

conectoresopticos

Centellador (rosa) & fibra Wave Length Shifting

(WLS)

Clear fiber

M-64 PMT

PMT Box

ParticleCentellador

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MINERvA: R&D prototipo

•Triángulos centelladores del Detector Interno

Co-Extruder

X-section of scintillator

Triangle Die

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MINERvA: R&D / prototipo/ rendimiento esperado

Test capa vertical 3-capas, 21 prototipos centelladores (incluyendo electrónica MINERvA)

21 pe/MIP para cada capa

Detección de luz -> trayectorias

Resolución de posición ~3.1 mm

Howard Budd

Jesse Chvojka

Detector scintillator

Centellador de Trigger

muon

prel

imin

ary

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Construccion e

instrumentacion

completa en Marzo 2010

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Conclusiones

La Física de Neutrinos y, particularmente, las Oscilaciones de Neutrinos son un tema apasionante de investigación y de enseñanza (aunque aún falte mejorar en este aspecto :))

Esperamos motivar la participación de ustedes en este tipo de experimentos