La prima generazione di esperimenti con fasci di neutrini a lunga distanza potrà

rispondere solo approssimativamente a domande quali il valore dell’angolo di mixing Θ13 e

la violazione di CP nel settore leptonico. Questo tipo di violazione potrebbe giocare un

ruolo molto importante nell’asimmetria materia antimateria nell’Universo. La misura

dell’ultimo dei tre parametri di mixing Θ13 e della violazione di CP richiede nuovi fasci di

neutrini di maggiore intensità e rivelatori avanzati. Le difficoltà di queste misure sono

connesse alla bassissima frequenza di interazione dei neutrini. Il completamento della

misura della matrice di mixing dei neutrini richiederà molto tempo e uno stretto

coordinamento a livello mondiale.

Figura 1. Evoluzione della sensibilità nella misura di sin2Θ13 in funzione del tempo. Per ogni esperimento è mostrata la sensibilità mondiale in funzione del tempo (linea continua) e la sensibilità calcolata senza quell’esperimento (linea tratteggiata). Il confronto delle due curve mostra il contributo di un dato esperimento. In nero è inoltre mostrato il limite globale ottenuto combinando tutti gli esperimenti. Ricercatori INFN sono interessati a due possibili esperimenti: T2K e NOVA. T2K è

un esperimento approvato in Giappone che userà un rivelatore esistente

(SuperKamiokande) con un nuovo fascio di neutrini da Tokay a Kamiokande. NOvA è una

proposta negli Stati Uniti per usare il fascio di neutrini esistente (NuMI a FNAL), con un

aumento dell’intensità, e un rivelatore da costruire a circa 1000 km di distanza vicino alla

frontiera con il Canada. Altri esperimenti con reattori sono complementari agli esperimenti

sul fascio nella misura di Θ13 non essendo sensibili agli effetti materia.

Oscillazione Neutrini

L’ evoluzione temporale prevista della sensibilità alla misura di Θ13 è mostrata in

Figura 1. E’ interesse INFN continuare a partecipare a questa linea di ricerca i cui sviluppi

futuri si proiettano molto lontano nel tempo, evitando pero’ le duplicazioni e verificando le

compatibilità con le risorse e con i programmi di fisica del neutrino al Gran Sasso. NOvA e

T2K probabilmente non daranno le risposte definitive per il completamento delle misure

della matrice di mixing. E` importante quindi continuare gli studi per il passo successivo

che potrebbe interessare i laboratori del Gran Sasso.

Come detto in precedenza un’altra questione fondamentale della fisica del neutrino è

la conoscenza del valore assoluto della scala delle masse. Se neutrino e antineutrino

coincidono, questa scala potrà essere determinata dagli esperimenti che cercano i

decadimenti nucleari con due elettroni senza neutrini.

La misura della massa del

!

" e indipendente da assunzioni teoriche e’ possibile

con misure cinematiche dirette basate sulla determinazione dell’energia degli elettroni nel

decadimento beta singolo. Sperimentalmente è difficile raggiungere con questa tecnica

sensibilità inferiori a 1 eV, anche considerando i nuclei con più basso Q-valore come 187Re

o il 3H (Q=2.5 keV e 18.6 keV, rispettivamente). L’esperimento KATRIN con 3H, in

Germania, utilizza un grosso spettrometro magnetico e dovrebbe essere in grado di

raggiungere una sensibilità di 0.2 eV. Questo valore rappresenta il limite tecnologico sia a

causa delle dimensioni dello spettrometro, sia per gli effetti sistematici dovuti a correzioni

nello stato finale e a perdite di energia nella sorgente.

Un approccio completamente differente è costituito dagli esperimenti calorimetrici a

bassa temperatura in cui il decadimento avviene all’interno del rivelatore. Questa tecnica è

stata sviluppata in Italia negli scorsi anni da gruppi INFN di Genova e Milano. La proposta

MARE prevede due fasi: nella prima si potrebbe raggiungere una sensibilità di circa 2 eV,

competitiva con le misure attuali, ma utilizzando una tecnica completamente diversa. In una

seconda fase, dopo un esteso programma di ricerca e sviluppo. che vedrebbe coinvolti

numerosi laboratori stranieri, si dovrebbe guadagnare almeno un ordine di grandezza in

sensibilità. Questa tecnologia ha applicazioni anche in altri settori come nella rivelazione di

raggi X in esperimenti spaziali.

Come già detto il tema della materia oscura è di enorme interesse in tutto il mondo e

giustifica investimenti in esperimenti che utilizzano tecniche complementari. Quando

saranno disponibili i risultati di DAMA/LIBRA e di WARP, presumibilmente entro 3 anni

da oggi, bisognera’ procedere ad una accurata verifica scientifica per valutare proposte, già

avanzate, per la realizzazione di rivelatori da 1 tonnellata. Questo sia per lo studio

dettagliato del segnale di DAMA (se confermato), sia per aumentare la sensibilità degli

Materia oscura

Masse Neutrini

apparati (se il segnale non fosse confermato). A livello europeo è da incoraggiare la

convergenza delle proposte per rivelatori che utilizzano tecniche simili, per evitare la

duplicazione degli sforzi.

Figura 2. La zona oscura rappresenta, in coordinate galattiche, la regione inaccessibile ad un rivelatore al polo Sud (sinistra) e nel Mediterraneo (destra). Le due figure in basso mostrano il centro galattico, il disco galattico ed alcune potenziali sorgenti di segnali di neutrini. Come si vede la zona accessibile a un rivelatore nel Mediterraneo è di maggiore interesse rispetto a quella osservabile da un rivelatore al Polo Sud.

Lo sviluppo dei rivelatori per l’astronomia a neutrini ha visto negli ultimi anni

l’INFN impegnato in prima linea con il progetto NEMO in Sicilia, dedicato allo studio di

fattibilità di un rivelatore da 1 km3 e con ANTARES, al largo di Tolone, che ha già avviato

con successo la costruzione di un rivelatore da circa 50000 m2 di accettanza. L’ astronomia

a neutrini potrebbe aprire una nuova finestra di osservazione dei fenomeni più energetici

nell’Universo. A differenza di altre particelle come fotoni e protoni che possono essere

assorbiti alla produzione oppure nel cammino verso la terra, i neutrini possono sfuggire da

sorgenti opache ai fotoni e percorrere distanze cosmologiche con una bassa probabilita’ di

interazione. Tuttavia, proprio per quest’ultima ragione, le dimensioni del rivelatore

debbono essere dell’ordine del km3.

Due diverse tecniche si sono affermate negli ultimi anni. La prima utilizza una

griglia di fototubi nel ghiaccio (progetto IceCube al polo Sud). I fototubi rivelano la luce

Cherenkov emessa dai muoni e da altri secondari prodotti dall’interazione dei neutrini nel

ghiaccio. La seconda prevede una griglia di fototubi nel mare profondo. Il numero di eventi

per un rivelatore di queste dimensioni varia da qualche decina di eventi all’anno per i flussi

Astronomia neutrini

di neutrini diffusi, a vari eventi all’anno per ognuna delle sorgenti puntiformi più

energetiche e a circa 50 eventi all’anno per i neutrini associati alle sorgenti dei raggi

cosmici.

Un rivelatore da 1 km3 potrebbe dare risultati molto importanti anche nello studio

delle sezioni d’urto dei neutrini ad altissime energie e nella ricerca indiretta di materia

oscura. Il progetto KM3NET finanziato dalla comunità europea è iniziato quest’anno con

un piano di lavoro triennale che prevede la progettazione di un rivelatore da 1 km3 da

realizzarsi nel Mediterraneo. Questo rivelatore sarebbe complementare ad IceCube al polo

Sud perchè avrebbe accesso a una zona del cielo diversa (figura 2), che comprende il

centro galattico e la regione del disco galattico, zone dove sono concentrate molte delle

sorgenti più interessanti e che sono inaccessibili a IceCube.

I possibili siti in discussione nel Mediterraneo sono tre : il sito di NESTOR in

Grecia, il sito di ANTARES e il sito di NEMO al largo di Capo Passero (Sicilia) a 3500

metri di profondità ed a 80 km dalla costa. Le misure di trasparenza dell’acqua e di fondo

dei fototubi hanno mostrato che il sito di Capo Passero sarebbe perfettamente adeguato.

Questo sito sarà tra breve equipaggiato con un cavo elettro-ottico per il trasporto della

potenza elettrica e la ricezione dei segnali.

Figura 3. Il sito candidato al rivelatore da 1 km3 al largo di Capo Passero (Sicilia)

Nel 2009, al termine di questo studio e dopo aver dimostrato la maturità delle

tecnologie usate, sarebbe possibile iniziare la costruzione del rivelatore, che terminerebbe

nel 2013; il costo totale di costruzione sarebbe di circa 100 M€.

E’ opportuno notare il carattere multi-disciplinare di questa attività, che coinvolge

altri campi come la geofisica, la biologia e l’oceanografia. Progetti di questo tipo sono in

grado di attrarre fondi da altri enti come le regioni, il MIUR e la comunità europea. Infine è

da ricordare l’esistenza a livello europeo di una larghissima convergenza di ricercatori per

questa iniziativa, pur se permane ancora qualche problema per la scelta definitiva del sito.

Complementare ai rivelatori sotterranei, e’ un diverso progetto, TAUWER,

attualmente allo studio che prevede un rivelatore dedicato, posto dietro una montagna, per

l’astronomia di neutrini con la rivelazione dei soli ντ.

Figura 4: Le sorgenti di fotoni di altissima energia scoperte negli ultimi 15 anni

L’ astronomia gamma con rivelatori terrestri studia le sorgenti di fotoni di energia al

di sopra dei 50 GeV e fino a qualche TeV. Negli ultimi anni questi esperimenti hanno

ottenuto risultati molto interessanti; il numero di sorgenti identificate è quadruplicato e tra

queste numerose sono extra-galattiche. La tecnica Cherenkov sembra la più adeguata per lo

studio dettagliato delle sorgenti puntiformi. La collaborazione MAGIC ha proposto il

raddoppio del telescopio con l’aggiunta di un secondo telescopio ad 80 metri di distanza.

Una nuova proposta nata in Europa, chiamata temporaneamente CTA, prevede

Astronomia con fotoni

l’installazione di due grandi sistemi di telescopi. Questa nuova proposta, che raccoglie una

larga partecipazione dei gruppi europei coinvolti nella astronomia gamma, prevede un

aumento della sensibilità di almeno un ordine di grandezza rispetto ai rivelatori attuali

nell’intervallo da 10 GeV a 100 TeV, con una sovrapposizione significativa con

l’esperimento nello spazio GLAST. Il miglioramento della risoluzione angolare di questa

nuova installazione permetterebbe uno studio più accurato della morfologia delle sorgenti.

Dopo la fase di disegno la realizzazione di un installazione nell’emisfero SUD potrebbe

partire nel 2009-2010. L’impegno previsto è sui 100 M€. Un’altra installazione è prevista

nell’emisfero Nord.

Lo studio della composizione dei raggi cosmici ad energie nella zona del ginocchio

(1015 eV) continuerà nel futuro con rivelatori di maggiore accettanza. L’interesse è dovuto

al fatto che a tale energia probabilmente cambiano i meccanismi di produzione dei raggi

cosmici stessi. Sono in considerazione nuove missioni spaziali in collaborazione con ASI e

miglioramenti degli attuali rivelatori a terra, come ARGO.

Lo studio dei raggi cosmici di altissima energia potrebbe richiedere una telescopio

simile ad AUGER nell’emisfero NORD ed un esperimento spaziale EUSO, che potrebbe

essere inserito nei programmi spaziali con una missione dopo il 2015. Queste proposte

dovranno prendere in considerazione i risultati scientifici di AUGER SUD. Lo studio dei

raggi cosmici di altissima energia è importante anche per la fisica delle particelle perché le

energie in gioco sono e saranno inaccessibili agli acceleratori.

I prossimi anni potranno vedere la rivelazione diretta delle onde gravitazionali. Le

onde gravitazionali sono emesse in processi astrofisici che coinvolgono moti violentissimi

di oggetti di grande massa. Esse sono assorbite ancora meno dei neutrini, pertanto si potrà

studiare l’interno di oggetti molto densi e compatti come stelle di neutroni, buchi neri ecc.

Lo studio e la rivelazione delle onde gravitazionali è pertanto di enorme interesse per la

relatività generale e per l’astrofisica. Lo spettro delle frequenze emesse può variare dalle

frequenze ultrabasse (10-4 Hz) a frequenze fino a 104 Hz. La banda a frequenze ultra-basse

può essere studiata con interferometri nelle spazio, mentre i rivelatori terrestri possono

coprire la banda da alcune decine di Hz in su.

Poiche’ un rivelatore di onde gravitazionali fornisce in genere un solo segnale in

uscita, non e’ possibile di solito ricostruire le componenti indipendenti del tensore

dell’onda e determinare quindi informazioni come la direzione di arrivo. Diverso e’ il caso

per un rivelatore di forma sferica che può fornire in uscita 5 informazioni indipendenti

corrispondenti ai 5 modi quadrupolari di oscillazione della sfera.

Raggi cosmici

Onde gravitazionali

Figura 5: L’emissione di onde gravitazionali da parte di un sistema binario

L’INFN collabora per la realizzazione di LISA che prevede una prima missione

tecnica chiamata LISA-PathFinder nel 2009 seguita nel 2015 circa da LISA. La

realizzazione di questi apparati sarà a cura delle agenzie spaziali (ASI, ESA e NASA).

L’INFN darà il supporto ai gruppi scientifici per la parte relativa all’analisi dati e per lo

sviluppo di prototipi, alcuni dei quali saranno studiati all’interno del laboratorio del Gran

Sasso, particolarmente immune da rumori a bassissima frequenza.

Tra gli esperimenti a terra l’INFN è impegnata nell’interferometro VIRGO a

Cascina, in collaborazione con la Francia e con tre rivelatori acustici : a Frascati, Legnaro e

al CERN. Recentemente è iniziata una presa dati molto lunga che vede coinvolti i tre

rivelatori interferometrici di LIGO negli Stati Uniti, l’interferometro GEO in Germania e 4

rivelatori acustici, di cui 3 italiani. Nell’estate del 2006 anche VIRGO si inserirà in questo

programma di ricerca. I risultati di questa campagna di misure in cui sono coinvolti

rivelatori con sensibilità mai raggiunte fino ad ora, saranno molto importanti per definire le

strategie future.

Onde Gravitazionali

10-24

10-23

10-22

10-21

10-20

10-19

10 100 1000 104

h/!Hz

Virgo+

SFERA (Quantum Limit)

2008-2012 Network

BH-BH Merger@ 100 Mpc

ns-ns Merger@ 100 Mpc

ms Pulsar@ 10 kpc - 20 days int. time

! = 3 10-7

Core Collapse@ 10 Mpc

Pulsars

SNR with hmax

,

1 year integration

Hz

DUAL Demonstrator (200 hbar, starting 2011)

GEO HFstarting 2009/2010

LIGO+

Figura 6: Le sensibilità dei rivelatori di onde gravitazionali nel periodo 2008-2012.

Nuove proposte sono state avanzate per miglioramenti di VIRGO (VIRGO+,

Advanced VIRGO) e per nuovi progetti nel campo dei rivelatori acustici. I nuovi progetti

riguardano un rivelatore di forma sferica (SFERA) basato su tecnologie esistenti ed un

rivelatore “duale” di nuova concezione (DUAL) costituito da due rivelatori concentrici di

forma cilindrica. DUAL necessiterà di un lungo periodo di tempo per lo sviluppo delle

tecniche necessarie. In una prima fase sarà costruito un dimostratore di dimensioni ridotte.

Con VIRGO+ si intende apportare una serie di miglioramenti alle sospensioni, all’ottica ed

al sistema laser. Le sensibilità di VIRGO+ e dei rivelatori acustici nel periodo 2008-2012

sono riportate in figura 6 e sono paragonate a quelle previste per uno dei tre interferometri

LIGO e a quella di GEO. Tutte le curve riportate si riferiscono a sensibilità di progetto.

Il vantaggio principale di VIRGO sarà alle basse frequenze; la rivelazione di un

segnale continuo dovuta all’emissione di una pulsar dovrebbe essere possibile. Per un tal

tipo di segnale non è necessario operare in coincidenza con altri rivelatori. Studi si stanno

avviando per interferometri di nuova generazione con sensibilità molto maggiori delle

attuali. Per ridurre il rumore newtoniano dovuto agli spostamenti del suolo, bisognerà

probabilmente costruire questi nuovi apparati sottoterra.

Oltre alla ricerca delle onde gravitazionali sono stati proposti altri esperimenti molto

importanti sulla forza di gravità. Essi sono: l’esperimento GG, nello spazio, per la verifica

del principio di equivalenza, l’esperimento MICRA per lo studio dell’andamento in

Gravitazione

funzione della distanza della forza di gravità e l’esperimento LARES per lo studio

dettagliato dell’effetto Lense-Thirring previsto dalla relatività generale.

L’equivalenza tra massa inerziale e gravitazionale è stata verificata finora fino a

precisioni dell’ordine di 10-12; lo scopo di Galileo Galilei (GG) è portare questa precisione

fino a circa 10-17. L’INFN ha dato supporto per le sperimentazioni a terra delle tecniche

usate (GGG, Galileo Galilei on the Ground). GG e’ stato ufficialmente inserito nel piano

triennale 2007-2009 dell’Agenzia Spaziale Italiana.

Possibili deviazioni dall’andamento 1/r2 della gravità a distanze sub-millimetriche

sono previste dalle teorie di superstringhe, le uniche al momento in grado di unificare la

gravitazione insieme alle altre forze. Esperimenti per la misura di queste deviazioni sono

molto difficili perché a piccolissime distanze intervengono altre forze, come quelle

quantistiche dovute all’effetto CASIMIR, e forze di superficie.

Lo scopo dell’esperimento LARES è lo studio molto accurato del moto di un satellite

passivo inseguito via laser da Terra. Tale studio può fornire informazioni molto importanti

sulla forza di gravità e sull’effetto di “frame dragging” dovuto al momento angolare della

Terra.

Per concludere è molto importante notare che l’astronomia con fotoni, neutrini, onde

gravitazionali e lo studio dei raggi cosmici costituisce un campo culturale strettamente

correlato, al di là delle differenze nelle tecniche sperimentali e nelle metodologie. Ciò è

vero anche per l’astronomia con raggi X e l’astronomia con fotoni di bassa energia, temi

questi in Italia tipicamente di competenza dell’Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF). E’

importante sottolineare che la collaborazione tra le diverse comunità di fisici sperimentali e

con i teorici è essenziale per questo tipo di studi che utilizza tutti i messaggeri disponibili a

tutte le frequenze possibili. Non è escluso inoltre che in alcuni settori, come l’astronomia X,

ci possa essere una partecipazione più diretta dell’INFN, per esempio per la costruzione di

rivelatori in cui l’INFN ha una specifica competenza.

Infine è da ricordare che la maggior parte delle attività qui descritte si svolgeranno in

ambito internazionale, in particolare europeo. Gli enti finanziatori della fisica

astroparticellare in Europa hanno costituito un organismo, ApPEC, per il coordinamento

delle attivita di questo campo di ricerca. E’ in corso in ApPEC un censimento dei progetti

ed è in preparazione un documento per lo sviluppo coordinato del settore in Europa, che

vede incluse quasi tutte le tematiche scientifiche discusse in questo documento.

Esigenze finanziarie.

Sono qui allegate due tabelle: la prima si riferisce alle esigenze degli esperimenti

approvati fino ad ora, la seconda include le nuove attività descritte in questo documento,

con l’eccezione del rivelatore per l’astronomia dei neutrini da 1 km3 e dei miglioramenti su

VIRGO (VIRGO+, Advanced VIRGO). Non sono incluse contingenza ed inflazione. Non

sono inclusi inoltre i fondi ASI per le attività spaziali.

Tabella 1 Esigenze finanziarie degli esperimenti della CSN2

2007 2008 2009 2010

Solo attività in corso 20.5 19 17.5 16

Con nuove attivita’ 24 25 26 25

Tabella 2 (parte 1). Breve descrizione e esigenze finanziarie delle attività descritte nel presente documento

Tabella 2 (parte 2)

Tabella 2 / (parte 3)