Neutrinos

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
2
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
5
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)
6
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
---->
7
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
8
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
10
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
11
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´
12
OSCILACIONES DE
NEUTRINOS EN EL VACÍO
13
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

14
El significado de esta asociación
15
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
16
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
19
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
20
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
21
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
25
Probabilidad para Oscilación de Neutrinos
en el Vacío
26
27
Neutrino Spectrum
28
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
29
¿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
31
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
34
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
36
36
¿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
48
¿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
55
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
58
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)
59
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
60
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
63
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
64