Calculation of double-beta-decay rates and the neutrino mass

Summary Predictions for 2ν and 0ν double-beta-decay rates are given for all nuclei withA≥70, for which double beta decay is energetically allowed. These predictions are based on detailed nuclear structure studies of the beta strength distribution and replace earlier estimates basing mostly on phase space considerations. New and more stringent limits on the Majorana neutrino mass are deduced from existing double-betadecay experiments. If is found that a proper treatment of the collective effects arising from spin-isospin as well as quadrupole-quadrupole forces leads to a strong reduction of the nuclear matrix elements for two-neutrino double beta decay, but has only minor influence on the matrix elementsM ^0ν for the neutrinoless decay mode. The smaller limits form _ν result, therefore, mainly from the fact that the widely used scaling procedure underestimates the 0ν matrix elements. It is further discussed to what extent interference between different neutrinos affects the obtained mass limits.

---

Rissunto Si fanno previsioni per i tassi di doppio decadimento beta a 2v e 0v per tutti i nuclei conA≥70, per i quali il doppio decadimento beta è ammesso energeticamente. Queste previsioni sono basate su studi dettagliati della struttura nucleare della distribuzione della forza di beta e sostituiscono stime precedenti basate solo su considerazioni riguardanti lo spazio tempo. Si deducono limiti nuovi e piú rigorosi sulla massa del neutrino di Majorana da esperimenti di doppio decadimento beta usando i risultati di recenti studi sulla struttura nucleare. Si trova che un trattamento appropriato degli effetti collettivi che derivano da forze spin-isospin ed anche quadrupolo-qudrupolo porta ad una forte riduzione degli elementi della matrice nucleare per il doppio decadimento beta a due neutrini, ma ha solo una minore influenza sugli elementi matricialiM ^ov per il modo di decadimento senza neutrini. I limiti piú piccoli perm _v risultano, perciò, principalmente dal fatto che la procedura di scaling ampiamente usati sottostima gli elementi matriciali 0v. Si discute inoltre che in misura l'interferenza tra neutrini diversi influisce sui limiti di massa ottenuti.

---

Резюме Из экспериментов по двойному бета-распады, выводятся новые и более строгие пределы для массы нетрино Майораны. Получено, что соответствующее рассмотрение коллективных эффектов, обусловленных спин-изоспиновыми, а также квадруполь-квадрупольными силами, приводит к существенному ядерных матричных элементов, для двух-нейтринного двойного бета-распада; однако влияние на матричные элементыM ^ov для безнейтринной моды распада оказывается минимальным. Таким образом, получаются более низкие пределы дляm _v из того факта, что широко используемая процедура скейлинга переоценивает величины матричных элементов 0v. Обсуждается влияние интерференции между различными видами нейтрино на вычисленные значения пределов для массы нейтрино.

     

Identifying a “dark matter” signal by nonisotropic scintillation detector

Summary In this note we investigate the possibility to identify a “dark matter” signal by means of low-background anisotropic scintillators.     

High-energy neutrino emission from binary X-ray sources

Summary Recently γ-rays up to 10¹⁶ eV were observed from Cyg X3, Vela X1 and LMC X4. This is a strong indication that protons (or nuclei) are accelerated in the vicinity of the accreting pulsar. We discuss in this paper the production of high-energy neutrinos associated with the γ-ray production. We show that on the basis of observational parameters of the three binary systems, the time average of the ratio of the neutrino luminosity to the γ-ray luninosity will beL _ν/L_γ∼30. The neutrino flux will be modulated with the orbital period of the system and the neutrino light curve will be determined by the density profile of the companion star. In general some of the X-ray binaries can be both UHE γ-ray and neutrino emitters with a neutrino luminosity comparable to their X-ray luminosity. The brightest of these could be detected by future neutrino telescopes such as DUMAND and MACRO at Gran Sasso.

---

Riassunto Recentemente è stata rivelata emissione di raggi gamma con energia sino a 10¹⁶eV da Cyg X3, Vela X1 ed LMC X4. Questa osservazione indica che protoni (o nuclei) sono accelerati nella vicinanza della pulsar contenuta in questi tre sistemi binari. In questo lavoro si calcola la produzione di neutrini di alta energia, associata alla produzione di raggi gamma. Il risultato ottenuto è che, tenendo conto dei parametri dedotti dalle osservazioni spettroscopiche dei tre sistemi considerati, il rapporto tra la luminosità in neutrini e la luminosità gamma èL _ν/L_γ∼30. Inoltre il flusso di neutrini sarà modulato con il periodo binario del sistema e la curva di luce dei neutrini sarà determinata dalla distribuzione di densità della stella compagna. In generale alcune delle binarie X possono essere sorgenti sia di gamma di altissima energia che di neutrini, con una luminosità in neutrini paragonabile alla luminosità in raggi X. Le piú intense tra queste potranno essere osservate da futuri telescopi per neutrini come DUMAND o MACRO.

---

Резюме Недавно γ-кванты с энергиями вплоть до 10¹⁶ эВ наблюдались из Cyg X3, Vela X1 и LMC X4. Это является указанием, что протоны (или ядра) ускоряются в окрестности аккретирующего пульсара. Мы обсуждаем в этой статье образование высокоэнергетичных нейтрино, которые связано с рождением γ-квантов. Мы показываем, что на основе наблюденных параметров для трех бинарных сйстем среднее по времени отношение интенсивности испускания нейтрино к интенсивности испускания γ-квантов составляетL _ν/L_μ∼30. Модуляция потока нейтрино определяется орбитальным периодом системы, а кривая яркости нейтрино определяется профилем плотности сопутствующей звезды. Обычно ренттеновские бинарные системы могут представлять источники γ-квантов сверхвысоких энергий и источники нейтрино, причем интенсивность испускания нейтрино сопоставима с интенсивностью рентгеновского излучения. Наиболее яркие из них могут быть зарегистрированы в будущем с помощью нейтринных телескопов, таких как DUMAND и MACRO в Гран Сассо.

     

PAMELA,FGST and sub-TeV dark matter

PAMELA's observation that the cosmic ray positron fraction increases rapidly with energy implies the presence of primary sources of energetic electron–positron pairs. Of particular interest is the possibility that dark matter annihilations in the halo of the Milky Way provide this anomalous flux of antimatter. The recent measurement of the cosmic ray electron spectrum by the Fermi Gamma Ray Space Telescope, however, can be used to constrain the nature of any such dark matter particle. In particular, it has been argued that in order to accommodate the observations of Fermi and provide the PAMELA positron excess, annihilating dark matter particles must be as massive as ∼1 TeV or heavier. In this Letter, we revisit Fermi's electron spectrum measurement within the context of annihilating dark matter, focusing on masses in the range of 100–1000 GeV, and considering effects such as variations in the astrophysical backgrounds from the presence of local cosmic ray accelerators, and the finite energy resolution of the Fermi Gamma Ray Space Telescope. When these factors are taken into account, we find that dark matter particles as light as ∼300 GeV can be capable of generating the positron fraction observed by PAMELA.     

Measurement of neutrino oscillations in realistic underground experiments

Summary We conside the possibility of investigating neutrino oscillations in a realistic environment. We discuss theoretical uncertainties coming from flux calculations, geomagnetic effects and propagation through matter, as well as the capability of identifying the neutrinoinduced events in real apparata.

---

Riassunto Si studiano le reali possibilità di esperimenti sotterranei nella ricerca di eventuali oscillazioni di neutrini. Sono discusse le imprecisioni derivanti dal calcolo teorico del flusso aspettato e gli effetti geomagnetici e di propagazione attraverso la materia. Si tiene infine conto della capacità di apparati reali nella identificazione di eventi indotti da neutrini.

---

Резюме Мы рассматриваем возможность исследования нейтринных осцилляций в реальных подземных экспериментах. Мы обсуждаем теоретические неопределенности, связанные с вычислениями потока, геомагнитными эффектами и распространением через вещество. Также рассматривается возможность идентификации событий, индуцированных нейтрино, с помощью существующей аппаратуры.

     

Proposal to build a neutrino observatory in Sudbury, Canada

Summary The proposal to build a heavy-water Čerenkov detector deep underground is discussed. The main physics objectives are to measure the⁸B solar neutrino flux, to identify neutrino oscillations and to watch for gravitational collapse. The measurements of the sources of background and the optical properties of heavy water, which are necessary to prove the feasibility of the detector, are reported. The present status of the project is indicated.

---

Riassunto Si discute il progetto di costruire un rivelatore Čerenkov ad acqua pesante a grande profondità. Gli obiettivi fisici principali sono quelli di misurare il flusso di neutrini solati di⁸B, d'identificare le oscillazioni neutriniche e di osservare il collasso gravitazionale. Si riportano le misure delle sorgenti di background e le proprietà ottiche dell'acqua pesante, che sono necessarie per provare la fattibilità del rivelatore. Si indica lo stato attuale del progetto.

---

Резюме Обсуждается преложение о строительстве черенковского детектора на тяжелойводе. Основные физические задачи—измерение потока⁸B солнечных нейтрино, идентификация нейтринных осцилляций и наблюдение гравитационного коллапса Сообщаются результаты измерений источников фона и оптических свойств тяжелой воды, необходимые для вьшолнения этого детектора. Описывается состояние проекта в настоящее время.

     

High-energy neutrino astronomy with ?small? underground detectors

Summary High-energy (E _ν>(10÷30) GeV) neutrino sources which can be detected by underground detectors with areaS∼100 m² are discussed in this paper. It is shown that the horizon of these detectors is limited to our Galaxy. The main process to detect neutrino sources,i.e. production of high-energy muons in ν_μ N → μX scattering is studied in detail. Single sources (young supernova shells and supergiants fed by an active pulsar) and binary sources (young pulsar and giant, supernova explosion in a binary system, etc. …) are found to be able to produce a detectable neutrino flux. Special attention is given to Cyg X-3. Finally, it is shown that the possibility to detect neutrinos from solar flares on the opposite side of the Sun can be ruled out on the grounds of γ-rays observations.

---

Riassunto Si discutono in questo lavoro le sorgenti di neutrini di alta energia (E _ν>(10÷30) GeV) che possono essere rivelate con rivelatori sotterranei di areaS∼100 m². Si mostra come l'orizzonte di questi rivelatori sia limitato alla nostra Galassia. Il processo principale di rivelazione di sorgenti cosmiche di neutrini, cioè la produzione di muoni di alta energia attraverso lo scattering ν_μ N → μX, è discusso in dettaglio. Si ottiene che sorgenti singole (gusci di suprenovae giovani e supergiganti con una pulsar attiva al loro interno) e sorgenti binarie (pulsar giovane e stella gigante, esplosione supernova in un sistema binario, ecc.…) sono in grado di produrre un flusso di neutrini rivelabili a Terra con rivelatori di piccole dimensioni. Si discute in particolare il sistema Cyg X-3. Infine, si dimostra che la possibilità di rivelare neutrini da flares solari sulla superficie del Sole opposta alla Terra deve essere scartata sulla base delle osservazioni di raggi γ.

---

Резюме В этой статье обсуждаются источники нейтрино высоких энергий (E _ν>(10÷30) ГэВ), которые могут быть зарегистрированы с помощью подземных детекторов с площадьюS∼100 м². Показывается, что горизонт этих детекторов ограничен нашей Галактикой. Подробно исследуется основной процесс детектирования нейтринных источников, т.е. образование высокоэнергетичных мюонов при рассеянии ν_μ N → μX. Получено, что изолированные источники (оболочки молодых сверхновых и супергиганты с активным пульсаром внутри) и бинарные источники (молодой пульсар и гигант, взрыв сверхновой в бинарной системе и т.д.) могут генерировать детектируемые потоки нейтрино. Особое внимание уделяется источнику Лебедь X-3. В заключение, показывается, что возможность детектирования нейтрино от солнечных вспышек на противоположной Солнца должна быть исключена на основе наблюдений γ-лучей.

     

The extraterrestrial neutrino flux sensitivity of underground and undersea muon detectors

Summary The sensitivity of underground and undersea muon detectors to point sources of extraterrestrial neutrinos with power law spectra is calculated from very general considerations. It is shown that this sensitivity depends critically on the spectral slope, but is essentially independent of the muon energy threshold of the instrument out to 100 GeV. Sources with a neutrino flux comparable to the γ-ray flux from Cygnus X-3 would not be detectable underground, and are only marginally detectable by the proposed large undersea experiment, DUMAND. However, fluxes perhaps 100 times higher are possible and these would be marginally detectable underground with MACRO or in the proposed DUMAND Stage II detector, the TRIAD.

---

Riassunto Si calcola la sensibilità dei rivelatori muonici sotto terra e sott'acqua a sorgenti puntiformi di neutrini extraterrestri con spettri a legge di potenza partendo da considerazioni molto generali. Si mostra che questa sensibilità dipende in modo critico dalla pendenza dello spettro ma è sostanzialmente indipendente dalla soglia d'energia muonica dello strumento fino a 100 GeV. Sorgenti con un flusso di neutrini confrontabili con il flusso di raggi γ da Cygnus X-3 non sarebbero individuabili sottoterra e sono solo marginalmente rilevabili con il grande esperimento sott'acqua DUMAND proposto. Comunque flussi forse 100 volte maggiori sono possibili e questi sarebbero marginalmente rilevabili sottoterra con MACRO o nel rivelatore proposto DUMAND del secondo stadio, il TRIAD.

---

Резюме Из очень общих рассуждений вычисляется чувствительность подземных и подводных мюонных детекторов к точечным источникам внеземных нейтрино со степенными спектрами. Показываэтся, что эта чувствительность очень сильно зависит от наклода спектра, но по существу не зависит от мюонного энергетического порога прибора вне 100 ГэВ. Источники с нейтринным потоком, сравнимым с потоком ч-лучей от Лебедь X-3, не могут быть зарегистрированы подземными детекторами и не являются маргинально детектируемыми с помощью предложенного крупного подводного эксперимента ДОМАНД. Однако потоки, в 100 раз большие, оказываются возможными и могли бы быть маргинально зарегистрированы подземными детекторами, тогда как в эксперименте ДОМАНД они производят слишком большпй сигнал.

     

A reduction in the UHE neutrino flux due to neutrino spin precession

Motivated by the stringent flux limits for UHE neutrinos coming from gamma ray bursts or active galactic nuclei, we explore the possibility that the active neutrinos generated in such astrophysical objects could oscillate to sterile right handed states due to a neutrino magnetic moment _μν${\mu }_{\nu }$. We find that a value as small as _μν≈10⁻¹⁵_μB${\mu }_{\nu }\approx {10}^{-15}{\mu }_B$ could produce such a transition thanks to the intense magnetic fields that are expected in these objects.     

Effect of binarity on the local stellar mass density

Summary Considering the existence of many unresolved binary systems among the stars used to derive the stellar luminosity function, we have estimated the increase in the total mass density in the solar neighbourhood. Such an increase depends on the fraction of stars which are unresolved binaries, but conservative estimates give a value larger than 0.004M _⊙ pc⁻³. Paper presented at the Congress ?Galactic and Extragalactic Dark Matter?, Roma, 28 to 30 June 1983.     

Detection of coherent elastic neutrino scattering on nuclei, a status report for a detector development based on metastable superconductors

Summary Coherent elastic neutrino scattering on nuclei can only be detected via the recoil energy of the nucleus. We try to develop a detector based on metastable superconducting grains to detect these small recoil energies. Experiments testing some fundamental properties of a detector using metastable Sn and Cd grains are presented. In the case of Cd a sensitivity of at least 24 eV/μm³ (normalized to the volume of the grains) was achieved. We expect a still higher sensitivity if superconductors with very lowT _c are used and the quality of the grains (sphericity, size distribution, solid state properties) is improved.

---

Riassunto Lo scattering elastico coerente di neutrini su nuclei si può rilevare solo attraverso l'energia di rinculo del nucleo. Si cerca di mettere a punto un rivelatore basato su grani metastabili superconduttori per rilevare queste piccole energie di rinculo. Si presentano esperimenti per saggiare alcune proprietà fondamentali di questo rivelatore usando grani metastabili Sn e Cd. Nel caso di Cd è stata raggiunta una sensibilità di almeno 24 eV/μm⁶ (normalizzata al volume dei grani). Si prevede una sensibilità ancora piú grande se si usano superconduttori conT _c molto bassa e si migliora la qualità dei grani (sfericità, distribuzione di volume, proprietà dello stato solido).

---

Резюме Когерентное упругоерассеяние нейтрино на ядрах может быть зарегистрировано только с помоцью энергии отдачи ядра. Мы предлагаем детектирующую систему, основанную на метастабильных сверхпроводящих зернах, чтобы зарегистрировать эти малые энергии отдачи. Предлагаются эксперименты для проверки некоторых фундаментальных свойств такого детектора, с использованием метастабильных зерен Sn и Cd. В случае Cd может быть достигнута чувствительность 24 эВ/(мкм)³ (нормированная на объем зерна). Мы ожидаем еще большую чувствительность, если использовать сверхпроводники с очень низкойT _c и улучшить качество зерен (сферичность, распределение по размерам, твердотельные свойства).

     

Intergalactic obscuring matter and holes between cluster structures of galaxies

Summary The location of individual intergalactic dark clouds, as well as the search for obscuring matter in some scantly populated areas between clustering structures so far has led to no final conclusion. In several cases, however, arguments can be set forth in favour of the thesis that some dark clouds are located in regions of space scantly populated with galaxies. Paper presented at the Congress “Galactic and Extragalactic Dark Matter”, Roma, 28 to 30 June 1983.     

Relevance of multiple muons detected underground to the mass composition of primary cosmic rays

Summary Calculations have been made of the expected frequencies of multiple muons for the situation of the Soudan underground proton decay detector. Comparisons are made with the observations and it is concluded that with our model for high-energy collisions the flux of heavy nuclei (A>20, principally iron) in the range (10¹⁵÷10¹⁶ eV)/nucleus is at most 25% of the total particle flux in the same range.

---

Riassunto Sono stati effettuati i calcoli delle frequenze attese di muoni multipli per situare il rivelatore di decadimento di protoni sotterraneo di Soudan. Si eseguono confronti con le osservazioni e si conclude che con il nostro modello per le collisioni ad alta energia il flusso di nuclei pesanti (A>20, specialmente ferro) nell'intervallo (10¹⁵÷10¹⁶) eV/nucleo è al massimo il 25% del flusso totale di particelle nello stesso intervallo.

---

Резюме Вычисляются ожидаемые частоты появления множественных мюонов в суданском подземном детекторе распадов протонов. Проводится сравнение с результатами наблюдений. Делается вывод, что в рамках предложенной модели для соударений при высоких энергиях поток тяжелых ядер (A>20, в основном, ядра железа) в области энерий (10¹⁵÷10¹⁶) эВ составляет, в лучшем случае, 25% от полного потока частиц в этой области энергий.

     

Monochromatic neutrino signals from dark matter annihilation

Dark matter (DM) annihilations in the Sun to neutrino–antineutrino pairs are known to have potentially observable signatures in neutrino telescopes such as IceCube and KM3. We propose a model independent analysis in which the monochomatic neutrino signal from dark matter (DM) annihilations in the Sun is related to the direct detection spin-independent and spin-dependent cross sections rather than assuming cross sections from a particular model. We propagate the neutrinos from the center of the Sun to the Earth taking into account matter effects on neutrino oscillations. For DM capture in the Sun via a large spin-dependent DM capture cross section the discovery prospects of the IceCube experiment are found to be promising.     

Evolution of star clusters with a mass distribution of binaries

Summary The dynamical evolution of star clusters with a initial population of binaries strongly depends on the parameters of the bounded pairs. We performed computational simulation with directN-body codes, on models withN=300 objects, with initial fraction of 20% of binaries with the same orbital semi-axis and with a Salpeter mass spectrum. The results are compared with previous analysis on similar equal-mass star models. The calculation points out that binaries with different mass companions determine an enhanced and sudden expansion of the system with neither core collapse nor central mass segregation. Paper presented at the 2° Convegno Nazionale di Fisica Cosmica, held at L'Aquila, 29 May – 2 June 1984.     

Scalar neutrino dark matter in the BLMSSM

The BLMSSM is an extension of the minimal supersymmetric standard model(MSSM).Its local gauge group is SU(3)_C×SU(2)_L×U(1)_Y×U(1)_B×U(1)_L.Supposing the lightest scalar neutrino is a dark matter candidate,we study the relic density and the spin independent cross section of sneutrino scattering off a nucleon.We calculate the numerical results in detail and find a suitable parameter space.The numerical discussion can confine the parameter space and provide a reference for dark matter research.     

Cosmic-muon results from the NUSEX experiment

Summary Muon underground data collected in the NUSEX experiment at Mont Blanc have been analysed concerning the following topics: I) vertical muon intensity, II) prompt muon flux, III) muons from the direction of Cygnus X-3. Preliminary results from the analysis of more than 20 000 muons are presented and discussed.

---

Riassunto Gli eventi di muoni rivelati sottoterra nell'esperimento NUSEX al Monte Bianco sono stati analizzati per studiare I) l'intensità verticale dei muoni, II) il flusso di muoni pronti, III) l'eccesso di muoni dalla direzione di Cygnus X-3. In questo lavoro sono presentati c discussi i risultati preliminari ottenuti dal'lanalisi di piú di 20.000 eventi.

---

Резюме Был проведен анализ данных, собранных в экспеимемнте NUSEX на Мон Блане. Анализировались следующие вопросы: 1) интенсивность вертикальных мюонов, 2) поток мгновенных (быстрых) мюонов, 3) мюоны, движущиеся в направлении от Лебедь X-3. Приводятся и обсуждаются предварительные результаты анализа для более, чем 20 000 муонов.