Towards the detection of ultra-low energetic neutrinos with plasma metamaterials

Theoretical works showed the existence of neutrino flux with energy below eV, the detection of these low energetic neutrino can shed light on Dark Matter problem along with the improvement of the Standard Model; the detector used nowadays are not able to detect such energies, in this thesis we propose a technique to detect slow flux of massive neutrino by plasmon generation. Through the semiclassical approximation of the Weak Interaction, we derived the force felt by a plasma due to the neutrino distribution, and vice-versa; therefore, by the Kinetic description with linear perturbation approach, we studied the interaction of electron plasma and neutrino flux. The long lifetime of plasmon in graphene structures oriented us to study bidimensional (2D) electron systems; the Weak interaction, between neutrino and ungated electron solid state plasma, leads to a feature alike the beam-plasma instability, raising the possibility to have a growth rate. The generated plasmon has wavevector dependent on the neutrino velocity and spectral width function of the neutrino’s density and mass; the instability was considered in an effective tridimensional (3D) metamaterial obtained by graphene heterostructure, the resulting Signal to Noise ratio (SN) is mainly dependent on the length of the device. Larger growth rates are found for lower neutrino energy and larger density: with detector size in the order of centimeters, the detection of neutrino with energy micro eV is ensured for flux above 10^5 cm^{-2} with SN about 10 dB, for milli eV neutrino the same SN is ensured for flux above 10^{12} cm^{-2}.

Recenti teorie hanno mostrato l'esistenza di neutrini con energia inferiore a eV, la rilevazione di tali neutrini a bassa energia può far luce sulla Materia Oscura e migliorare il Modello Standard; i rivelatori usati oggigiorno non sono in grado di rilevare tali energie, in questa tesi proponiamo una tecnica per rilevare flussi di neutrini massivi attraverso la generazione di onde plasmoniche. Attraverso l'approssimazione semiclassica dell'Interazione Debole, abbiamo ricavato la forza proporzionale alla costante di Fermi; quindi, attraverso le equazioni cinetiche con teoria perturbativa lineare, abbiamo studiato l'interazione del plasma allo stato solido e il flusso di neutrini. La longevità dei plasmoni nel grafene ci ha spinto a studiare i sistemi bidimensionali (2D); l'interazione tra neutrino ed elettroni genera un'instabilità simile a quella causata da un fascio di ioni. Il plasmone generato dall'instabilità ha vettore d'onda proporzionale alla velocità dei neutrini e larghezza spettrale dipendente dalla densità del flusso dei neutrini ed al contempo dalla masse dei suddetti. Abbiamo definito un metamateriale tridimensionale composto da grafene nel quale l'instabilità ha luogo, il conseguente rapporto segnale-rumore (SN) dipende principalmente dalla lunghezza del dispositivo. La crescita è esponenziale e maggiore quando vengono considerati flussi di neutrini con energie più basse e densità maggiori: considerando il metamateriale con dimensioni dell'ordine del centimetro, la rivelazione di neutrini con energia di milli eV è assicurata per densità superiori a 10^5 cm^{-2} con SN circa 10 dB, per milli eV neutrini lo stesso SN è ottenuto per flussi superiori a 10^{12} cm^{-2}.