LVD

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Introduzione

Il Large Volume Detector (LVD) nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN (LNGS), Italia, è un osservatorio sotterraneo di neutrini il cui scopo principale è lo studio di neutrini emessi da supernovae da collasso gravitazionale. E' attivo dal 1992, con configurazioni di massa via via più grandi. L'ultimo upgrade è avvenuto nel 2001, quando LVD è diventato pienamente operativo, con una massa attiva di M=1000 t. LVD è formato da una schiera di 840 contatori a scintillazione, disposti secondo una geometria compatta e modulare. Il rivelatore sta tenendo sotto osservazione la nostra Galassia dal Giugno 1992. Nessun evento attribuibile a emissione di neutrini è stato finora trovato, implicando un limite alla frequenza di collassi gravitazionali di stelle al 90% C.L. che risulta essere il più stringente tra quelli esistenti.
A partire dal Luglio 2005 LVD è parte del Supernovae Early Warning System (SNEWS), la rete di rivelatori di neutrini da supernova il cui scopo è fornire alla comunità astronomica un allarme immediato al verificarsi della prossima supernova da collasso gravitazionale nella Galassia.
Dal 2006 LVD agisce come monitor per il CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS), un fascio di νμ di alta energia prodotto al CERN e inviato ai LNGS. Nel 2012 LVD ha misurato il tempo di volo dei neutrini stabilendo un limite sulla differenza tra la velocità dei neutrini e quella della luce un ordine di grandezza più piccolo di quello delle precedenti misure dirette.

 

Descrizione

Il rivelatore e le tecniche sperimentali. LVDsi trova nella sala A dei LNGS. Il rivelatore consiste di 840 contatori a scintillazione, di 1.5 m3 ciascuno, disposti secondo una geometria modulare (figura 1). Ogni contatore contiene 1.2 t di scintillatore liquido (CnH2n+2 con un valore medio per n di 9.6), per una massa totale di M=1000 t. Il rivelatore è diviso in tre parti identiche (torri), indipendenti dal punto di vista dell'alimentazione, del trigger e dell'acquisizione dati. A sua volta, ogni torre consiste di 35 gruppi di 8 contatori. Ogni contatore è guardato da tre fotomoltiplicatori (PMTs) montati sulla faccia superiore.
La modularità è una caratteristica chiave di LVD, poiché permette di raggiungere un grande tempo di presa dati, essenziale per la ricerca di eventi rari e sporadici. Si può infatti intervenire su LVD spegnendo solo la parte del rivelatore che necessita manutenzione.
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Figura 1: schema della disposizione dei contatori di LVD

La seguente tabella raccoglie le informazioni generali riguardanti LVD.

Lunghezza 22.7 m
Larghezza 13.2 m
Altezza 10.0 m
Massa dello scintillatore 1008 t
Numero di contatori a scintillazione 840
Numero di PMTs 2520
Quando una particella carica attraversa un contatore di LVD, viene prodotta della luce dal liquido scintillatore. La luce è raccolta dai PMTs del contatore, che la convertono in un segnale elettrico.
La principale interazione in LVD nel caso di neutrini da collassi gravitazionali è il Decadimento Beta Inverso (IBD)
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che fornisce due segnali rivelabili. Il primo è quello dovuto al e+, seguito dal segnale della cattura (n,p) (Eγ = 2.2MeV), con un ritardo medio di 185 ± 5 μs.
La logica di trigger è ottimizzata per la rivelazione di entrambi i prodotti dell' IBD, ed è basata sulla coincidenza tripla dei PMTs di un contatore. Ogni PMT è discriminato a due soglie differenti, che implicano due possibili livelli di coincidenza tra i PMTs di un contatore: H e L, che corrispondono a energie di EH ~ 4 MeV e EL ~ 0.5 MeV. Quando si genera un trigger, la carica e il tempo della somma dei segnali dei tre PMTs vengono salvati in memoria. Oltre all'IBD, LVD può rivelare interazioni di neutrino su nuclei di Carbonio, elettroni e nuclei di Ferro (presenti nella struttura di supporto).
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La ricerca di candidati a burst di neutrini è eseguita studiando la sequenza temporale dei triggers e considerando i loro raggruppamenti. Per ogni raggruppamento, con una molteplicità m e una durata ∆t, viene calcolata la frequenza di imitazione del fondo Fim, in funzione della frequenza del fondo. Un raggruppamento risulta essere un candidato a burst di neutrini se Fim< 0.01 y-1. Nessun candidato è stato identificato in 7335 giorni, da Giugno 1992 a Dicembre 2013. Ciò implica un limite superiore alla frequenza di collassi gravitazionali stellari nella nostra Galassia che, al 90% C.L., è 0.11 y-1.
LVD è parte del Supernovae Early Warning System (SNEWS) da Luglio 2005 (snews.bnl.gov). Si tratta di una collaborazione internazionale che comprende diversi esperimenti sensibili a segnali di neutrino da collassi gravitazionali stellari nella nostra Galassia. L'obiettivo è fornire un allarme immediato e affidabile alla comunità astronomica al verificarsi di una supernova galattica, generato dalla coincidenza di due o più rivelatori.
Dal 2001 è in funzione in LVD un monitor on-line di burst di neutrini veloce e affidabile. Si basa sulla ricerca di raggruppamenti di triggers entro una finestra temporale fissa, ∆t=20 s. Il raggruppamento è caratterizzato solamente dalla sua molteplicità m, e da questa si può calcolare Fim. Quando si trova Fim<1 month-1, il raggruppamento di trigger è selezionato e inviato al server di coincidenza di SNEWS.
LVD è sensibile anche ai νμ del CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS). Il progetto CNGS prevede di inviare un fascio di νμ di alta energia dal CERN ai LNGS. L'obiettivo principale è l'osservazione della comparsa del ντ, dovuta all'oscillazione dei neutrini. Grazie alla grande area coperta e alla massa, LVD può fungere da monitor del fascio, tramite la rivelazione dell'interazione dei neutrini dentro il rivelatore e dei muoni prodotti nell'interazione dei νμ nella roccia. La capacità di LVD di agire da monitor è stata dimostrata durante i run CNGS dal 2006.

Gli eventi del CNGS in LVD possono essere divisi in due categorie:

  • νμ nella roccia; queste producono un muone che può raggiungere LVD ed essere rivelato;
  • νμ nel materiale che costituisce LVD (scintillatore liquido e ferro della struttura di supporto).

LVD ha partecipato alla misura della velocità del neutrino rivelando eventi del fascio dedicato prodotto dal 10 al 24 Maggio 2012. Una parte del rivelatore è stata modificata per aumentarne la risoluzione temporale. Dopo i tagli di qualità, sono stati selezionati 48 eventi provenienti dal fascio dedicato per determinare il tempo di volo dei neutrini dal CERN ai LNGS. La differenza tra il tempo di volo dei neutrini e il tempo di volo alla velocità della luce è risultata compatibile con zero, con una precisione di 3.2 ns. Si è quindi ottenuto il seguente limite al 99% C.L. della velocità del neutrino:

−3.3 · 10−6 < (νμ − c)/c < 3.5 × 10−6

Si tratta di valori più piccoli di un ordine di grandezza rispetto alla precedenti misure dirette.

 

Responsabile del progetto
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. (Università di Bologna e INFN Bologna)

 

Collaborazione

N. Y. Agafonova1, M. Aglietta2, P. Antonioli3, V. V. Ashikhmin1, G. Badino2,7, G. Bari3, R. Bertoni2, E. Bressan4,5, G. Bruno6, V. L. Dadykin1, E. A. Dobrynina1, R. I. Enikeev1, W. Fulgione2,6, P. Galeotti2,7, M. Garbini3, P. L. Ghia8, P. Giusti3, F. Gomez2, E. Kemp9, A. S. Malgin1, A. Molinario2,6, R. Persiani3, I. A. Pless10, A. Porta2, V. G. Ryasny1, O. G. Ryazhskaya1, O. Saavedra2,7, G. Sartorelli3,4, I. R. Shakiryanova1, M. Selvi3, G. C. Trinchero2, C. Vigorito2,7, V. F. Yakushev1, A. Zichichi3,4,5,11

1 Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

2 INFN Torino, OATo-Torino, I-10100 Torino, Italy

3 INFN Bologna, 40126 Bologna, Italy

4 University of Bologna, I-40126 Bologna, Italy

5 Centro Enrico Fermi, I-00184 Roma, Italy

6 INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso and Gran Sasso Science Institute, I-67100 LAquila, Italy

7 Dep. of Physics, University of Torino, I-10125 Torino, Italy

8 CNRS-IN2P3, Paris, Laboratoire de Physique Nucléaire et de Hautes Energies (LPNHE), Universités Paris 6 et Paris 7, France

9 University of Campinas, 13083-859 Campinas, SP, Brazil

10 Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139-4307, USA

11 CERN, Geneva, Switzerland

 

Pubblicazioni recenti

Agafonova, N.Y., Aglietta, M., Antonioli, P., et al. 2015, Implication for the core-collapse supernova rate from 21 years of data of the Large Volume Detector, The Astrophysical Journal, 802, 47. arXiv:1411.1709

Agafonova, N.Y., Aglietta, M., Antonioli, P., et al. 2012, Measurement of the Velocity of Neutrinos from the CNGS Beam with the Large Volume Detector, PRL 109, 070801. arXiv:1208.1392

Agafonova, N.Y., Antonioli, P., Ashikhmin, V.V., et al. 2012, Determination of a time-shift in the OPERA set-up using high-energy horizontalmuons in the LVD and OPERA detectors, Eur. Phys. J. Plus, 127: 71. arXiv:1206.2488

Agafonova, N.Y., Aglietta, M., Antonioli, P., et al. 2008, On-line recognition of supernova neutrino bursts in the LVD, Astroparticle Physics 28, 516-522. arXiv:0710.0259

Agafonova, N.Y., Aglietta, M., Antonioli, P., et al. 2007, First CNGS events detected by LVD, Eur. Phys. J. C52, 849-855. arXiv:0710.1536

Agafonova, N.Y., Aglietta, M., Antonioli, P., et al. 2007, Study of the effect of neutrino oscillations on the supernova neutrino signal in the LVD detector, Astroparticle Physics 27, 254-270. arXiv:hep-ph/0609305

 

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