Descubrimiento de la oscilacion de neutrinos en el canal , resultados finales del experimento opera

Final results of the opera experiment: the discovery of neutrino oscillation in the channel

Eduardo Medinaceli V.
para la colaboracion OPERA. INFN Padova, Italia

Resumen

El experimento OPERA fue disenado para la observación directa de la oscilación de neutrinos de tipo muónico en neutrinos de tipo tauónico , en la modalidad de aparicion, es decir detectando leptónes producidos en la interaccion a corriente cargada del . El experimento tomo datos desde el 2008 al 2012 utilizando el haz de neutrinos CERN - Gran Sasso. En este período OPERA detecto cinco eventos candidatos de considerando el fondo y el numero total de eventos detectados se determinó el descubrimiento de las oscilaciones en la modalidad de observacion directa, con una significancia mayor a 5. Este artículo es una adaptacion del reciente anuncio de descubrimiento de la colaboración OPERA (Agafanova et al. 2015); aquí se incluye un mayor enfasis en la descripción del aparato experimental.

Abstract

The OPERA experiment was designed for the direct observation of neutrino oscillation of the muonic neutrino into the tauonic neutrino where leptóns are produced by the interaction through charged current of . The experiment recorded data, from 2008 to 2012, using a neutrino beam, CERN - Gran Sasso, during this period OPERA detected 5 event candidates. Considering the background and the total number of detected events the oscillation was determined directly with a standard deviation of 5. In this article we give a thorough description of the experimental apparatus and details related to the reported OPERA discovery (Agafanova et al. 2015).

1. INTRODUCCION

El Modelo Estandar (ME) de la física de partículas establece que existen tres familias de neutrinos (auto-estados de sabor) asociadas al leptón producido en la interaccion en la cual viene generado; tipo electrónico , tipo muónico y tipo tauónico . Establece ademas los tipos de interacción débil mediante las cuales interaccionan; estas pueden ser de corriente cargada (CC) en la cual viene producido un leptón eléctricamente cargado, o de corriente neutra (NC) sin la produccion del leptón eléctricamente cargado. Cada uno de estos estados es igual a la combinacion lineal de auto-estados de masa , = 1,2,3; donde es la matriz unitaria de PMMN (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata) que es una funcion de los siguientes parametros de oscilación: tres ángulos de mezcla y una fase denominada delta de Carga-Paridad CP Cada uno de los angulos de mezcla esta relacionado con neutrinos de distinta naturaleza, teniendo en cuenta el origen de los mismos, que a su vez es funcion de la energía del tipo de proceso que describe su produccion. Estos son que esta asociado a neutrinos de tipo atmosférico, generados en la interaccion de rayos cósmicos con la atmosfera terrestre; que esta relacionado con neutrinos producidos en cadenas de decaimiento de partículas del Sol; y estan asociados a neutrinos generados en reactores nucleares. Hasta ahora no se ha podido determinar el valor absoluto de los auto-estados de masa, y se tienen solo límites superiores a las diferencias de masas entre los auto-estados: llamado delta atmosferico y llamado delta Solar. Esto lleva a la ambiguedad denominada problema de la jerarquía de masas, en la cual se tienen los siguientes casos, llamada jerarquía normal o conocida como jerarquía invertida.

Transiciones de sabor entre estas familias de neutrinos durante su propagación , fenomeno gobernado por la mecanica cuántica, fueron propuestos hace mas de 50 anos (Maki et al. 1926; Pon-tecorvo 1967) en extensiones del modelo estandar. Una condicion necesaria para que este proceso exista es que los neutrinos tengan una masa diferente de cero, lo cual es prohibido en el ME. Distintos experimentos con neutrinos solares, atmosfericos, de reactor y producidos artificialmente en aceleradores de partículas han contribuido a entender estas transiciones conocidas como "oscilacion de neutrinos" (Fukuda et al. 1989; Abe et al. 2006; Wendell et al. 2010; Ahmad et al. 2001; Allison et al. 2005; Ambrosio et al. 2004; Ahn et al. 2006; Abe et al. 2008; Adamson et al. 2011). Dichos experimentos observaron un fuerte deficit en el flujo esperado de neutrinos de una determinada familia. A pesar de esto una confirmacion unívoca sin lugar a ambiguedades de la oscilacion de neutrinos considerando los tres sabores en el sector atmosferico era necesaria; por lo tanto se requería una observacion directa.

Considerando el caso de la oscilacion de neutrinos de dos familias, la probabilidad de oscilacion de un sabor a otro viene descrita mediante

que es una funcion de los parametros de mezcla del proceso considerado , y , la distancia recorrida del neutrino antes de oscilar L (baseline) y la energía inicial del haz de neutrinos .

El experimento OPERA, acronimo en inglés de "Oscilation Project with Emulsion Racking Apara-tus", fue disenado para la detección directa de en la modalidad de aparicion, a través de la deteccion directa del leptón producido en las interacciones de tipo CC. Dicho leptón tiene una vida media muy breve despues dela cual decae con una de los siguientes modos de decaimiento (en parentesis son indicados las respectivas fracciones de ramificacion branching ratios): (17.8%) llamado electrónico, (17.4%) llamado muónico o en una de las siguientes canales hadrónicos (49.5%), (15.2%).

OPERA utiliza una baseline grande de ~ 732 km, y un haz de neutrinos de tipo con una muy baja contaminacion de otras familias , despreciable), con una energía media de 17 GeV; ademas la observación se realizo utilizando un rango de masa del orden de los neutrinos atmosfericos, es decir y (Agafanova et al. 2012a).

OPERA funcionodesde el año 2008 al 2012 en el laboratorio subterraneo del Gran Sasso, en condiciones de bajo nivel de fondo (con una reduccion del flujo de rayos cosmicos de un factor 10⁶) con una fraccion señal-fondo de alrededor de ~ 10.

2. HAZ DE NEUTRINOS, DETECTOR Y MUESTRA DE DATOS

El haz de neutrinos de tipo muónico de OPERA denominado CNGS (del ingles CerN to Gran Sasso) es generado partiendo en el laboratorio CERN (Ginebra, Suiza) de un haz de protones (400 GeV/c) incidente en un blanco de grafito en el cual son producidos los mesones y ; los mesones de carga positiva decaen en y y en un tunel de decaimiento largo de 1 km. Luego son focalizados y dirigidos hacia el detector de OPERA (Assergi, Italia) (Agafanova et al. 2012a). En todos los anos en los cuales se realizaron medidas se obtuvo una exposicion que corresponde a 17.97 x 10¹⁹ protones incidentes en el blanco, resultando en 19505 interacciones de neutrino en el volumen eficaz del detector.

El blanco del detector OPERA esta compuesto de una gran cantidad de plomo, que se halla distribuido en una estructura compuesta junto amaterial sensible al paso de partículas cargadas (emulsion nuclear). La topología de la interaccion de los neutrinos es registrada en el detector denominado ECC (Emulsion Cloud Chamber), a los cuales llamaremos "brick" (ladrillo). Cada brick tiene una resolucion espacial sub-micrometrica; y está compuesto de 56 laminas de plomo con un espesor de 1 mm, intercaladas con 57 películas de emulsión nuclear con un espesor de ~300 m (compuesta de dos capas sensibles de ~45 m depositadas en los extremos de una base plastica de ~200 m de espesor). La seccion eficaz de cada brick es de 12.7x 10.2cm², posee un espesor de 7.5 cm que corresponde aproximadamente a 10 distancias de atenuacion y tiene una masa de 8.3 kg. Con ayuda de los bricks, el momento de las partículas cargadas puede ser determinado midiendo la dispersion múltiple de Coulomb (Multiple Coulomb Scattering) en las placas de plomo (Agafanova et al. 2012b). Un pequeno contenedor de dos películas de emulsión nuclear (Changeable Sheet, CS) es adherido al brick en la cara opuesta a la direccion de incidencia del haz de neutrinos (Amokhina et al. 2008) (direccion referida de ahora en adelante como downstream); el CS es analizado antes del brick para verificar quela interaccion oc-curra efectivamente ahí, en caso contrario el brick es re insertado en el detector para no disminuir la masa total del blanco. Cada brick es un detector independiente (stand-alone) con una resolucion sub-micrometrica, con el cual se puede reconstruir tridimensionalmente la topología de la interacción de neutrino.

El detector OPERA esta formado por un blanco segmentado compuesto de alrededor de 150000 bricks (~9 millones de emulsiones nucleares), con una masa total de ~1.25 kTon. El blanco esta formado de dos super modulos (SM) idénticos, cada uno de ellos formado de 31 paredes de bricks (walls). Detras (downstream) de cada pared existen dos planos ortogonales de detectores electrónicos, llamados Target Trackers (TT trazadores del blanco); estos estan hechos de conjuntos de cuerdas centellantes anchas 2.6 cm, las cuales detectan la posicion y la energía depositada por partículas cargadas electricamente (Adam et al. 2007). Con ayuda del registro del paso de estas partículas cargadas, es posible reconstruir sus trayectorias tridimensionalmente.

Un espectrometro de 1.2 T formado de un núcleo de Hierro equipado con planos de detectores de tipo resistivo (RPC Resistive Plate Chambers) y tubos a deriva esta montado detrás de cada SM. Los espectrometros son utilizados para identificar muones, determinar su carga y medir su momento con una precision del 20% (Acquafredda et al. 2009). La figura 1 es una foto del detector donde se muestran sus componentes principales descritos.

Una traza 3D de una partícula es etiquetada como un , si el producto de su largo por la densidad de material atravezado supera los 660g/cm² (Acquafredda et al. 2009). Un evento es clasificado como 1 si contiene por lo menos una traza etiquetada como o si el numero de planos de TT más RPC que contienen una senal es mayor de 19. El conjunto complementario de eventos es clasificado como 0. La correlacion momentum-range (distancia total hasta cuando la partícula se detiene), la pérdida de energía cerca del punto donde la partícula se detiene y even-tualmente la etiquetacion del tipo de interacción o de la topología de decaimiento, pueden contribuir a definir la naturaleza muonica de la traza por encima del rendimiento del detector electrónico.

El analisis descrito posteriormente comprende solamente eventos de tipo 0 y 1 con momento del muon menor a 15 GeV/c, selección que permite disminuir el fondo. El procedimiento comienza con el uso de la configuracion del señal en los TT para la determinacion del brick que posiblemente puede contener la interaccion del neutrino (Gornushkin et al. 2015). Los bricks seleccionados son ordenados en orden decreciente de acuerdo a la probabilidad de contener el vertice de interacción. El brick más probable, llamado de ahora en adelante primer brick es extraído del blanco. Si la interaccion no esreconstruida en este brick, se extrae el siguientebrick del ranking (segundo brick). Una vez que el vertice primario se encuentra, se realiza un scan en las emulsiones nucleares en un volumen de 2cm³ alrededor de dicho punto. A este volumen de datos digitales se aplica un procedimiento llamado busqueda de decaimientos ("decay search") con la cual se buscan leptónes de tipo u otras partículas con una vida media breve (Agafanova et al. 2010). Detalles de este procedimiento se pueden encontrar en (Agafanova et al. 2014).

La figura 2 muestra como ejemplo la reconstruccion del primer evento candidato detectado en OPERA. En esta interaccion el leptón que decae en el canal hadrónico . En la figura se puede apreciar el vertice de interacción primaria del compuesto de 7 trazas, donde es generado el leptón (traza disenada con color rojo) que decae en el hadrón y un no visible. La partícula decae inmediatamente en (etiquetado daughter en el diseno) produciendo dos rayos etiquetados y . Detalles acerca de este evento se pueden encontrar en (Agafanova et al. 2010).

En este artículo se presentan los resultados correspondientes al analisis del primer y segundo brick registrados en OPERA. El numero de eventos completamente analizados correspondientes a cada ano de toma de datos esta indicado en la tabla 1.

3. RESULTADOS - ESTIMA DE LA SENAL Y DEL FONDO

El número de candidatos correspondiente a cada uno de los canales de decaimiento del es considerado como un proceso Poissoniano (descrito de acuerdo a la estadística de Poisson) independiente, con valores de expectacion . El numero esperado de eventos de señal y fondo se hallan en la Tabla 2; el índice que índica la fuerza dela señal , "signal strenght factor" es un parametro multiplicativo constante para la expectacion dela señal. La hipotesis de solo fondo corresponde = 0, y el senal nominal a = 1.

La significancia de los candidatos observados es evaluada como la probabilidad que el fondo pueda producir una fluctuacion mayor o igual a los datos observados. Dos pruebas estadísticas (tests) fueron aplicadas para hacer este calculo; en ambos casos, los valores estadísticos de prueba de los datos observados son comparados con distribuciones de muestra obtenidas con pseudo-experimentos.

El primer estadístico está basado en el método de Fisher. Para la hipotesis de solo fondo, los valores de cada canal individual (calculado como la intergral de la distribucion de Poisson para valores mayores o iguales del numero de candidatos observados) son combinados en el estimador (Sato 2014; CDF 2007). De la comparacion del numero de eventos observado con el muestreo de las distribuciones de , la significancia (de un solo lado one-side significance) igual a 5.1 desviaciones estandar () es obtenida, correspondiendo a una probabilidad de la fluctuacion del fondo de 1.1 x 10-⁷.

El segundo estadístico está basado en el perfil de un solo lado one-sided profile likelihood ratio (Olive et al. 2014). Este es utilizado para cuantificar la discrepancia entre los datos y un cierto valor hipotético de . La significancia, entendida como el nivel de desacuerdo entre los datos observados y la hipotesis = 0, es calculada comparando con la correspondiente distribucion muestreada de . La verosimilitud likelihood L que incluye terminos Gaussianos para tener en cuenta la incertidumbre del fondo, es

donde es la incerteza del fondo para cada canal (de la Tabla 2) y son los parametros del fondo modelados siguiendo una funcion Gaussiana. Dos aplicaciones del mismo metodo fueron utilizados, una basada en un algoritmo personalizado y la otra basada en RooStats (TWIKI.CERN 2016); ambas dieron una significancia de 5.1 desviaciones estandar.

Un simple test de compatibilidad entre los datos observados con el valor esperados, considerando la hipotesis de la oscilación de neutrinos ( = 1) es dado dal mejor fit del signal strenght con un nivel de confianza del 90%, , que es consistente con la unidad. Otro test fue hecho utilizando pseudo-experimentos para muestrear la distribucion de los datos asumiendo = 1 y teniendo en cuenta las incertidumbres dela senal esperada y del fondo. La probabilidad de que los datos sean menos similares o iguales a los eventos observados es igual a 6.4%.

Si consideramos el numero total de candidatos sin tener en cuenta la distribucion en diferentes canales de decaimiento, la probabilidad de obtener 5 o mas eventos con una expectacion dela señal de 2.64 y un fondo de 0.25 eventos es del 17% teniendo en cuenta la estadística de Poisson.

Un intervalo de confianza del 90% para fue estimado con tres diferentes metodos, usando el profile likelihood ratio, el metodo de Feldman-Cousins, y usando estadística Bayesiana. Asumiendo una condicion de mezcla máxima, el mejor fit es con un intervalo de confianza del 90% , las diferencias entre los tres metodos son despreciables (Agafanova et al. 2015).

4. CONCLUSIONES

Se presentan aquí los resultados del analisis de la muestra de datos correspondiente al primer y segundo brick mas probable considerando los 5 años de toma de datos. Dado el bajo nivel de fondo y el numero de candidatos encontrados, se reporta el descubrimiento de la aparicion de en el haz de neutrinos CNGS con una significancia de 5.1 (Agafanova et al. 2015).

AGRADECIMIENTOS

Agradesco a los editores de la revista Boliviana de Física por la invitacion que me hicieron para comunicar los recientes resultados del experimento OPERA. Me parece importante la iniciativa de la revista de divulgar distintos aspectos de la física experimental como en este caso la física del neutrino.

Finalmente doy las gracias a la Lic. Verónica Subieta F. que me ayudó en la edición de este artículo.

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