1 Pomiary oddziaływań w eksperymencie Miniboone Uniwersytet Warszawski Magdalena Posiadała

2 Plan seminarium Wyniki LSND Wyniki LSND Eksperyment Miniboone –wiązka neutrin Eksperyment Miniboone –wiązka neutrin Detektor Detektor Sygnatura oddziaływań neutrin w Sygnatura oddziaływań neutrin w detektorze detektorze Przekroje czynne na oddziaływania Przekroje czynne na oddziaływania Plan Miniboone na 2006 rok – wiązka Plan Miniboone na 2006 rok – wiązka antyneutrin antyneutrin Podsumowanie Podsumowanie

Zelimir 3 LSND zbierał dane: ‘93-98 oscylacje:   e na poziomie 3σ     e na poziomie 4σ 20 < E < 53 MeV Eksperyment LSND Oscillations? Signal:  e  p  e + n n p  d  (2.2MeV) 8.3m long 5.7 m diameter L=30m

4 !!!

M.Sorel, J.Conrad, M.S. hep-ph/ LSND  nowe neutrino(a) tzw. sterylne s Modele (3+>1)

6 Miniboone Cel: definitywnie potwierdzić albo wykluczyć wyniki LSND Cel: definitywnie potwierdzić albo wykluczyć wyniki LSND I etap rok wiązka neutrin: I etap rok wiązka neutrin:   e   e II etap 19 stycznia 2006 roku  wiązka antyneutrin: II etap 19 stycznia 2006 roku  wiązka antyneutrin:     e     e Jeśli potwierdzi wynik LSND – możliwość 2 detektora Jeśli potwierdzi wynik LSND – możliwość 2 detektora

7

8 Wiązka  (   ) w Miniboone protony o energii 8GeV zderzane z tarcza berylową protony o energii 8GeV zderzane z tarcza berylową produkowane mezony wtórne, w wyniku rozpadu których powstają (anty)neutrina mionowe produkowane mezony wtórne, w wyniku rozpadu których powstają (anty)neutrina mionowe dzięki odpowiednim ustawieniom magnesów możemy otrzymać wiązkę neutrin jak i antyneutrin mionowych dzięki odpowiednim ustawieniom magnesów możemy otrzymać wiązkę neutrin jak i antyneutrin mionowych pulsy o szerokości 1,6  s o średniej częstotliwości pulsy o szerokości 1,6  s o średniej częstotliwości

www-boone.fnal.gov/publicpages/runplan.ps.gz 9 Strumień neutrin  protony zderzają się z tarczą Be protony zderzają się z tarczą Be strumień  : strumień  : małe tło e : małe tło e : symulacje MC wiązki e /  =6x10 -3

10Detektor 800 ton CH 2 olej mineralny 800 ton CH 2 olej mineralny 445 ton obszar czuły (FV) 445 ton obszar czuły (FV) 1520 PMTs 1520 PMTs PMTs jako obszar veto PMTs jako obszar veto Pomiar reakcji CC: Pomiar reakcji CC:  promieniowanie Czerenkowa:  kierunkowe  próg energetyczny E cz > 1.5m cz  scyntylacje :  izotropowe  nie ma progu energetycznego średnica 12m

11 v neutrino2002.ph.tum.de/pages /transparencies/tayloe/index.html

12  m 2 = 0.4 eV 2  m 2 = 1 eV 2 Zbadanie sygnału z LSND na poziomie 4-5σ potrzeba 1x10 21 pot (protons on target) niepewności syst na poziomie ~5% Miniboone – czułość eksperymentu

13 elektrony Michel’a z rozpadu  : kalibracja E dla niskich energii (52.8 MeV), pik masy  0 : zdolność rozdzielcza dla średniej energii (135 MeV), 12% E res at 52.8 MeV Kalibracja miony kosmiczne energia & zdolność rozdzielcza dla E ( MeV), możliwość wyznaczenia zasiegu mionu w detektorze  e

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_

15  0 →  e - candidate beam  candidate beam  0 candidate Pierścienie Czerenkowa – wstępne źródło identyfikacji produktów powstałych z oddz. w detektorze  n   - p e n  e - p  p   p  0 n Identyfikacja cząstek

16 Fizyka neutrin ~1GeV Dane z eksperymentu Miniboone dostarczą informacji o nisko-energetycznych oddziaływaniach neutrin Dane z eksperymentu Miniboone dostarczą informacji o nisko-energetycznych oddziaływaniach neutrin Statystyka Miniboone będzie największa w stosunku do wszystkich pozostałych eksperymentów w zasięgu E ~ 1GeV Statystyka Miniboone będzie największa w stosunku do wszystkich pozostałych eksperymentów w zasięgu E ~ 1GeV Miniboone K2K

hep-ex/ Przekroje czynne na reakcje CCQE CCQE (Charged Current CCQE (Charged Current Quasi Elastic) Quasi Elastic) Słabo znane σ poniżej Słabo znane σ poniżej kilku GeV kilku GeV

18 Reakcje CC z produkcją 1  Rezonansowa Rezonansowa produkcja produkcja (np. 80%  0 (np. 80%  0 produkuje się produkuje się rezonansowo) -∆(1232) -∆(1232)

19 Reakcje CC z produkcją 1  + Reakcje CC z produkcją 1  + produkcja koherentna produkcja koherentna rozpraszanie  na całym jądrze rozpraszanie  na całym jądrze  0 rozproszone do „przodu” (małe Q 2 )  0 rozproszone do „przodu” (małe Q 2 )

20 Reakcje NC z produkcją 1  Brak danych eksp. Brak danych eksp. poniżej poniżej = 2GeV!!! = 2GeV!!!

21 Miniboone - dane dla wiązki neutrinowej

22 Selekcja CCQE max 1 elektron Michel’a e - 20<N PMT <200 Selekcja oddziaływań CCQE: 10 zmiennych potrzebnych do wyznaczenia topologii oddziaływania dla pierścienia Czerenkowa pochodzącego od 1 mionu Czystość próbki : 86%

23  Quasi-Elastic Events  Quasi-Elastic Events pomiar : widocznej E oraz θ  z prom. Czerenkowa(  ) + światło scyn.(p) deficyt  „do przodu”

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_ Dane CCQE Rekonstrukcja: Rekonstrukcja: energii neutrina E energii neutrina E

Nove_Zeller_Venice06 25 Dane CCQE dla małych Q 2 niezgodność danych doświadczalnych z MC małe Q 2 – duże znaczenie efektów jądrowych!!! zakaz Pauliego p n > p F efekt widoczny również w K2K Q 2 = m  2 - 2E (E  -p  cos   )

26 Selekcja dla CC1  + Powstają 2 elektrony Michel’a Powstają 2 elektrony Michel’a e - (20 < N PMT < 200) e - (20 < N PMT < 200) czystość próbki 84% tło od N , QE

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_ % of pionsstops

hep-ex/ Czas życia  W detektorze Miniboone nie ma pola B. W detektorze Miniboone nie ma pola B. Jak odróznić sygnał  - od  + ??? Jak odróznić sygnał  - od  + ??? 8%  - ulega wychwytowi w CH2 8%  - ulega wychwytowi w CH2 Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują się różnym !!! czasem życia: Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują się różnym !!! czasem życia:   2  s  dla  -   s dla  +

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_ Dane CC1  + rekonstrukcja kierunku  z prom. Cz. małe Q 2 dla  „do przodu”

34 Dane CC1  + Rekonstrukcja E Rekonstrukcja E z wykorzystaniem z wykorzystaniem zmierzonej E  oraz jego kierunku założenie : założenie :  proces 2 ciałowy (QE)  ∆1232 to stan końcowy, zamiast p (tak jak w CCQE)  zdolność rozdzielcza 20% 20%

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_ Współczynnik CC1  + /CCQE Stosunek N(CC1  + )/ N(CCQE) Stosunek N(CC1  + )/ N(CCQE) W CCQE dla wysokich energii W CCQE dla wysokich energii  - „wychodzi” z detektora  - „wychodzi” z detektora Próg dla CC1  + >CCQE Próg dla CC1  + >CCQE Obszar do dalszej analizy Obszar do dalszej analizy Błędy systematyczne:  propagacja światła w oleju(20%)  przekrój czynny(15%), energia zrekonstruowana(10%), statystyka(5%) Poprawiony na: na: -rozmycie E -efektywność selekcji -tło

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_ Współczynnik CC1  + /CCQE ( cm 2 )

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_ CC1  + przekrój czynny CC1  + przekrój czynny zmierzony współczynnik CC  + /QE wymnożony przez teoretyczne przewidywania dla przekroju czynnego na QE (J. Monroe, M. Wascko) ~σ o 25% niższy od przewidywań, ale w granicy niepewności ( cm 2 )

38 Przekrój czynny Pierwszy pomiar przekroju czynnego dla dla tak niskich energii ~1GeV Kluczowe jest zrozumienie efektów jądrowych dla tego zakresu energii aby wyjaśnić otrzymane wyniki Nowe modele teoretyczne??

39 Miniboone program z wiązką antyneutrinową start : 19 styczeń 2006 rok

40 Motywacja ostateczne potwierdzenie lub wykluczenie sygnału LSND     e ostateczne potwierdzenie lub wykluczenie sygnału LSND     e poszukiwanie łamania CP wymaga pomiaru oscylacji dla neutrin   e jak i ich antyneutrin     e poszukiwanie łamania CP wymaga pomiaru oscylacji dla neutrin   e jak i ich antyneutrin     e wyznaczenie przekrojów czynnych na oddziaływania wyznaczenie przekrojów czynnych na oddziaływania dla antyneutrin, które jak dotąd znane są bardzo słabo dla antyneutrin, które jak dotąd znane są bardzo słabo

wascko_nufct05_ Rozpraszanie   CCQE kilka pomiarów σ kilka pomiarów σ brak danych poniżej 1GeV!!! brak danych poniżej 1GeV!!! Miniboone przewiduje Miniboone przewiduje ~ 40,000 zdarzeń (przed cięciami) dla 2*10 20 POT ~ 40,000 zdarzeń (przed cięciami) dla 2*10 20 POT

42 Porównanie σ dla  i Porównanie σ dla  i σ dla  dla 1 GeV jest ok.. 3 razy mniejszy od σ dla !!!

wascko_nufct05_   NC  o tylko 1 pomiar tylko 1 pomiar 25% niepewności przy 2GeV 25% niepewności przy 2GeV Stanowi b.duże tło dla poszukiwania sygnału  e (appearance)w wyniku oscylacji Stanowi b.duże tło dla poszukiwania sygnału  e (appearance)w wyniku oscylacji

wascko_nufct05_ Czułość na  e Wykluczenie/potwierdzenie Wykluczenie/potwierdzenie sygnału LSND może być w pełni dokonane przy wiązce antyneutrinowej sygnału LSND może być w pełni dokonane przy wiązce antyneutrinowej Porównanie LSND z wynikami KARMEN Porównanie LSND z wynikami KARMEN

45 Podsumowanie Zebrano > 700k oddz.neutrin (> 1k antyneutrin) (7 x POT) Największa próbka danych dla energii 1 GeV Zmierzony przekrój czynny dla małych Q 2 jest mniejszy od oczekiwanego Zrozumienie   dla CC1  + dla niskich wartości energii neutrin E - rola efektów jądrowych!!! Zmierzony względny współczynnik CC1  + /CCQE dla dużej statystyki Wkrótce : wyniki oscylacji dla   e !!!!

46 Back up slides

47 Motywacja ostateczne potwierdzenie lub wykluczenie sygnału LSND     e ostateczne potwierdzenie lub wykluczenie sygnału LSND     e poszukiwanie łamania CP w przyszłych eksperymentach poszukiwanie łamania CP w przyszłych eksperymentach (poza „osią” wiązki) wymaga pomiaru oscylacji dla neutrin   e jak i ich antyneutrin     e (poza „osią” wiązki) wymaga pomiaru oscylacji dla neutrin   e jak i ich antyneutrin     e sektor CP w niektórych modelach może występować tylko dla antyneutrin sektor CP w niektórych modelach może występować tylko dla antyneutrin wyznaczenie przekrojów czynnych na oddziaływania wyznaczenie przekrojów czynnych na oddziaływania dla antyneutrin, które jak dotąd znane są bardzo słabo dla antyneutrin, które jak dotąd znane są bardzo słabo Asymetria prawd. oscylacji dla  i w funkcji prawd. oscylacji dla dla modelu 3 +2

wascko_nufact05_ Oddziaływania  - WS dla wiązki neutrin tło od   jest bardzo małe ~2% dla wiązki neutrin tło od   jest bardzo małe ~2% dla wiązki antyneutrin tło od dla wiązki antyneutrin tło od  ~ 30 %  ~ 30 % Miniboone nie ma pola B aby odróżnić znaku wychodzącego , przypadek po przypadku, czyli oddziaływań  od Miniboone nie ma pola B aby odróżnić znaku wychodzącego , przypadek po przypadku, czyli oddziaływań  od

hep-ex/ Miniboone dla  Spodziewana liczba przypadków oddziaływań dla wiązki antyneutrin w Miniboone na podstawie Spodziewana liczba przypadków oddziaływań dla wiązki antyneutrin w Miniboone na podstawie nuance MC nuance MC 2*10 20 POT 2*10 20 POT 550cm fiducial volume 550cm fiducial volume zbieranie danych do końca 2006 roku zbieranie danych do końca 2006 roku zdarzenia tzw WS stanowią ok. 30% wszystkich zdarzeń zdarzenia tzw WS stanowią ok. 30% wszystkich zdarzeń

50 Sposób oszacowania przypadków WS Miniboone opracował 3 metody oszacowania tła od neutrin mionowych. Opierają się one na pomiarze: Miniboone opracował 3 metody oszacowania tła od neutrin mionowych. Opierają się one na pomiarze:  rozkładu kątowego cos θ  w oddz. CCQE  czasu życia mionu  liczby przypadków CC1  +

hep-ex/ Kierunek  Różny rozkład kątowy cos θ  dla  i Różny rozkład kątowy cos θ  dla  i Powód : skrętność antyneutrin, z powodu której cos θ  ma max dla Powód : skrętność antyneutrin, z powodu której cos θ  ma max dla małych wartości kąta θ  małych wartości kąta θ  Nuance MC Nuance MC Zdolność rozdzielcza detektora – 4 o Zdolność rozdzielcza detektora – 4 o

hep-ex/ Czas życia  8%  - ulega wychwytowi w CH2 8%  - ulega wychwytowi w CH2 Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują się różnym czasem życia: Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują się różnym czasem życia:   s  dla  -   s dla  + dla CCQE przypadki WS mogą być zidentyfikowane z 30% niepewnością statystyczną dla CCQE przypadki WS mogą być zidentyfikowane z 30% niepewnością statystyczną zmienna ta niezależna od kinematyki procesu i rekonstrukcji zdarzenia zmienna ta niezależna od kinematyki procesu i rekonstrukcji zdarzenia

hep-ex/ CC1  + antyneutrina nie oddziałują !!! w reakcjach CC1  + antyneutrina nie oddziałują !!! w reakcjach CC1  + Oddziaływania CC1  + tylko dla  Oddziaływania CC1  + tylko dla  2 elektrony Michel’a sygnaturą oddziaływania 2 elektrony Michel’a sygnaturą oddziaływania CC1  -  wychwyt  - przez jądro C CC1  -  wychwyt  - przez jądro C Stąd tylko 1 elektron Michel’a Stąd tylko 1 elektron Michel’a

hep-ex/ Podsumowanie oddz. WS

wasco_nufact05_ Status σ dla 

     e + e   K +   e + e K L  -  e + e Monte Carlo Intrinsic e in the beam e from  decay – –Directly tied to the observed  interactions Kaon rates measured in low energy proton production experiments – –HARP experiment (CERN) – –E910 (Brookhaven) – –MiniBooNE Data Small intrinsic e rate  Event Ratio e /   6x10 -3 “ Little Muon Counter ” measures rate of kaons in-situ

57 selekcja CC 1  +

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_ Selekcja CC  +