MINICURSOS DE INTRODUCCION I Escuela Peruana de Física de Altas Energías y Cosmología Sabado 20 de junio de 2015

Introducción a Física de Neutrinos

Carlos Javier Solano Salinas Universidad Nacional de Ingeniería Lima, Perú 1

TEMAS  Física Moderna  Modelo Estándar  Historia del Neutrino  Revolución del SNO-SK  Oscilaciones de neutrinos  Detector MINERA  Revisión de la Física del MINERA  MINERA y las Oscilaciones  Estado del MINERA y Conclusiones

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FÍSICA MODERNA Dos revoluciones científicas en la primera mitad del siglo XX

Relatividad Relatividad 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 Cuántica Para describir cualquier cosa tan pequeña como un átomo se requiere el uso de la Mecánica Cuántica.

Principio de incertidumbre de Heisenberg 3

MODELO ESTÁNDAR 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) 4

LAS PARTÍCULAS ELEMENTALES (que conocemos hasta ahora) ~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

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SENTIDO DE ESCALA 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)

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HISTORIA DEL NEUTRINO 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, (1962),(1975), Nobel 1988

J.Steimberger

---->

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REVOLUCIÓN DEL NEUTRINO La revolución del Neutrino (1998 - ….) Neutrinos tienen masa diferente de cero Mezcla de leptones! El Sol visto con neutrinos Neutrinos del Sol: trillones/seg Neutrinos del Big Bang: 10 millones dentro de nosotros

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NEUTRINOS SON ESPECIALES

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 9

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 antipartículas Neutrinos 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 NEUTRINOS Y EL UNIVERSO 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

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LEPTOGÉNESIS Probabilidad [N e- + ...]

Probabilidad [N e+ + ...]

materia antimateria Son los neutrinos el origen de la Asimetría MateriaAntimateria del Universo?

PARA DEMOSTRAR QUE  Decaimiento Doble Beta sin Neutrinos [0] eei i i WNucleo

Procesos Nucleares

WNucleo´

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OSCILACIONES DE NEUTRINOS EN EL VACÍO

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Neutrinos vienen al menos en tres sabores Los sabores conocidos de neutrinos: e Cada uno de ellos es asociado con el correspondiente lepton cargado:

e



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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

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Neutrinos Atmosféricos

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

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

Observando Neutrinos

Davis y Koshiba, Nobel 2002

Super-Kamiokande, detector de neutrinos 18

Neutrinos Solares Reacciones 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? 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?

1 TeV 1 GeV 1 MeV 1 KeV 1 eV 1 meV

du e

c s 

t b 

  

Masas de quarks y leptons

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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 ) = mi 22

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 gravedad En esos modelos N > 3 i y U es NxN 23

La descripción de las interacciones del neutrino, según el Modelo Estándar (sin incluir masa ni mezcla leptónica), está bien confirmada Asumamos que es correcto y extendámoslo para incluir mezcla (mixing) Para el acoplamiento de leptones al boson W tenemos:

Tomando en cuenta la mezcla 24

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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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/Incertezas b) Decaimiento y proyección de secundarias ej: Entendido c) Oscilación o nueva Física  A ser medido d) Interacción en el detector Corriente cargada (CC) N > lX 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 30

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

At startup

• 300kW haz primario de protones • Energia de Neutrinos es calibrable • Intensidad inicial 2.5 1020 protones/anho

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Haz NuMI Protones π, K

ν

• 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 32

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

+ +

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”: MINERA – Colocar un detector de grano fino en un haz de neutrinos de alta intensidad - NuMI Beamline 35

MINERA Instituciones MINOS

Pitt

T2K

Tufts NOVA William & Mary FNAL Duluth Texas Northwestern Florida Athens

MiniBooNE

Dortmund MCLA (Mass.) Theory INR, Moscow Otterbein UNI (Peru) PUCP (Peru) CBPF (Brazil) Hampton Jefferson Lab Valparaiso (Chile) Guanajuato (Mex) MINERVA James Madison Irvine Rutgers Rochester

Nuclear

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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 37 preciso de como los neutrinos interaccionan con la materia”

MINERA (Main INjector ExpeRiment -A) ¿Qué es MINERvA? MINERνA propone construir un detector  de precisión y altamente segmentado, con tecnología simple, bien entendida … MINOS ND MINERA

… en el NuMI justo delante del MINOS. 38

Beam-line

NuMI Beamline Graphic courtesy B. Zwaska

DIS2010

MINERvAMINOS

Tipos de Espectrometros ATLAS-LHC Detector

Tipos de Espectrometros LHCb-LHC Detector

Detector MINERA 120 “modulos” planos. Masa total: 200 tons. Total canales: ~32K Blanco centellador finamente segmentado y completamente activo. 8.3 tons, 3 tons fiducial



LHe ¼ ton VetoWall

Blancos Nucleares con He, C, Fe, Pb, H 2O,CH En mismo experimento reduce errores sistematicos entre nucleos

MINOS Near Detector (Muon Spectrometer)

MINERA  Spectrometer

Minos (previamente instalado)

El MINOS Near Detector es el MINERA  Spectrometer

MINERvA Blanco de He - Helium Cryostat

Construccion de planos del detectorMINERvA en Wideband Hal l

Tracking Scintillator Planes

Strips 3 diferentes orientaciones de strip

WLS fiber glued into scintillator

Particula Posicion determinada por carga compartida

Fibras reflejadas en extremo lejano. Extremo cercano terminado en conector óptico, pulido, con luzdirigida.

Nuclear Targets  5 blancos nucleares + blanco de agua  Blanco Helio adelante del detector  Cerca de millon de muestras de eventos (haz LE 41020 POT + haz ME 121020 POT)

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

5 Blancos Nucleares: Fe Pb C

4 Pb

0.85

2.5

Blancos Nucleares

5 Blancos Nucleares: Fe Pb C

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¿Qué va a proporcionar MINERA?  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: C, Fe y Pb ▼ Oportunidad para medidas precisas de Blancos Nucleares 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 información crucial a medidas de oscilación 0  production actuales y futuras 49



Programa MINERA de Fisica Scattering        

Quasi-elastico Produccion de Resonancia - 1 Transicion Region Resonancia – na 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 50

Física MINERA: Scattering de Neutrinos de Baja Energía Lipari, Lusignoli and Sartogo, PRL 74, 4384 (1995)

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 Inelástica, estados finales de alta multiplicidad 51

Eventos MINERA, Haz anti- Eventos CCQE anti- Informacion buffered en el spill  y leidas al final del spill Tiempo para diferentes slices (eventos) 4th slice 3 vistas, x (top), & V Outer calorimeter X vista de otros eventos

Evento con 0 52

Candidatos de eventos MINERvA Interpretaciones preliminares de acuerdo al tipo de interaccion de neutrinos que son.

 QE

DIS

Mostrando vista X Anti- QE NC

 0

++ 53

Distribuciones en Haz Anti-, Anti-CCDatos vs MC

Resultados preliminares

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 54

Distribuciones en Haz Anti-, CCDatos vs MC Resultados Preliminares

Distribuciones con las mismas condiciones que las anteriores

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Latin american groups in MINERA D.A.M. Caicedo, C. Castromonte, G.A. Fiorentini, H. da Motta, J.L. Palomino Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas, Rio de Janeiro, Brazil J. Felix, A. Higuera, Z. Urrutia, G. Zavala Universidad 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. Prokoshin Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile 56

Stage Movement Modulo Mapper

Cs-137 Sources

• Posicion de fibras • Rpta. relativa de strip • Atenuacion a largo del strip Sources Scan

Atenuacion para un Strip

Strip Response

Pb Absorber

Strip Edge

Posicion de57 la fuente a lo largo del St

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

Side View

6 Torres

(Length is about 4 m).

Vista lateral

Vista Frontal

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

Hojas Pb para calorímetro EM

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Detector MINERvA (cont.) Canal contador del Detector:

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

31,000 canales •80% en hexágono interior •20% en detector externo 503 M-64 PMTs - 64 canales 128 piezas de centellador por plano de Detector int.

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

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Óptica MINERvA (Centelladores y Óptica del Detector Interno, Detector Externo tiene óptica similar pero tiras centelladoras rectangulares)

Centellador Particle

Para el Detector Interior, centellador es armado con planos de 128 strip centelladores Posición determinada por la carga

1.7 × 3.3 cm2 strips lectura de la fibra Wave Length Shifting (WLS) en hoyo central

PMT Box Clear fiber

Centellador (rosa) & fibra Wave Length Shifting (WLS)

conectoreso pticos

M-64 PMT

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MINERvA: R&D prototipo •Triángulos centelladores del Detector Interno

X-section of scintillator

Triangle Die

Co-Extruder 61

MINERvA: R&D / prototipo/ rendimiento esperado Detector scintillator

 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

li m

in a

ry

Centellador de Trigger

Howard Budd Jesse Chvojka

pr e

muon

62

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

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