Badania tła do sygnału oscylacji poszukiwanego w eksperymencie T2K Paweł Przewłocki Warszawska Grupa Neutrinowa Instytut Problemów Jądrowych

Kontekst i plan Kontekst: badania, które robiłem w ramach pracy doktorskiej Kontekst: badania, które robiłem w ramach pracy doktorskiej Plan: Plan: –Oscylacje neutrin –Eksperyment T2K –Oszacowanie niepewności przekrojów czynnych na produkcję pionów w T2K –Oszacowanie wkładu od przypadków wielopionowych

Oscylacje neutrin Na początek - dwa zapachy... Na początek - dwa zapachy......i dwa parametry: kąt mieszania, kwadrat różnicy mas...i dwa parametry: kąt mieszania, kwadrat różnicy mas Dwa zestawy rezultatów: atmosferyczne (małe L/E) i słoneczne (duże L/E) Dwa zestawy rezultatów: atmosferyczne (małe L/E) i słoneczne (duże L/E) -> jesteśmy przekonani, że oscylują 3 zapachy -> jesteśmy przekonani, że oscylują 3 zapachy ATM SOL

Oscylacje neutrin Obserwujemy: Obserwujemy: –W eksperymentach słonecznych –W eksperymentach atmosferycznych –W eksperymentach atmosferycznych nigdy nie udało się zaobserwować

Oscylacje neutrin ZAPACHMASA atmosferyczne SK, K2K, MINOS słoneczne SNO, KamLand CHOOZ Schwetz et al. arXiv: v3 [hep-ph]

Masy neutrin log m 2 νeνe eV eV 1 eV log m Δm 2 23 <0Δm 2 23 >0 |Δm 2 23 |=2.4 x eV 2 Δm 2 12 = 7.6 x eV 2 Mass hierarchy

What wed like to know... Is third mixing angle θ 13 non zero? Is third mixing angle θ 13 non zero? Is there a CP violation in neutrino sector? Is there a CP violation in neutrino sector? More precise estimation of neutrino oscillation parameters is also necessary More precise estimation of neutrino oscillation parameters is also necessary...and how to measure it θ 13 For θ 13 meas. we need: an experiment with L/E corresponding to transition to/from good precision (a few %) Reactor: disappearance Reactor: disappearance Accelerator appearance Accelerator appearance

...i jak to zmierzyć (2) Second generation of long baseline accelerator experiments Second generation of long baseline accelerator experiments Powerful neutrino sources off axis beams T2K Nova site Japan USA beam since 1/04/2009 NuMi (upgraded) E ν (peak) 0.76 GeV 2.22 GeV distance 295 km 812 km Far detector Super-Kamiokande to be built of mass (FV) 22.5 ktons 14 ktons Status Starts taking data Excavations started

Eksperyment Tokai2Kamioka aa aa

T2K Collaboration SINS Warsaw NINP Krakow Warsaw Technical U 508

Laboratorium akceleratorowe J-PARC w Tokai, Ibaraki

Wiązka pozaosiowa Proton beam (30 GeV) hits the graphite target and produces hadrons, mostly pions Proton beam (30 GeV) hits the graphite target and produces hadrons, mostly pions The pions decay: The pions decay: Beam contamination: Beam contamination: Detectors are situated off-axis to get favorable spectrum shape Detectors are situated off-axis to get favorable spectrum shape Neutrino energy T2K beam

Near Station – ND280

ND280 off-axis detector UA1 magnet 0.2 T inner volume 3.5x3.6x7 m 3 P0D – optimized for NC π 0 production scintil. bars covered with lead & water layers ECAL – elmgt calorimet. SMRD – muon ranger Tracker - optimized for neutrino spectrum determination FGD (to select CCQE events) scintil bars and water layers TPC (e/ μ separ a tion and momentum measurement) SMRD counters in magnet slits

SMRD Side Muon Range Detector Side Muon Range Detector Scintillator modules placed in slits in the magnet Scintillator modules placed in slits in the magnet Aims: Aims: –Measurement of high energy muons from muon neutrino interactions –Cosmic ray muon measurements for triggering and monitoring First cosmic ray muon and neutrino data started to be taken First cosmic ray muon and neutrino data started to be taken

Optymalizacja SMRD Szukamy optymalnego ułożenia scyntylatorów w magnesie Szukamy optymalnego ułożenia scyntylatorów w magnesie QE Boczne Boczne + góra/dół Nr warstwy #

Installation of magnet and SMRD ( )

ND280 components (now installed) To test the performance of the TPC, electrons, pions, muons, and protons were used in TRIUMF (momenta up to 400 MeV/c). INGRID TPCFGD

First neutrino event in ND280 INGRID – on axis detector to determine beams direction and profile Consists of 14 modules Every module (1x1x1 m 3 ) composed of 11 alternating planes of plastic scintillators (5x1x100 cm 3 ) and iron plates (6.5 cm thick)

SuperKamiokande Large water Cherenkov detector 50kton of water, 22.5kton fiducial volume >11,000 PMTs Detector well tested during over 10 years of data taking (SK standalone, K2K), systematics very well known All front-end electronics and on-line systems renovated GPS based system selects events correlated with T2K beam spills

Rings and particle identification

Piony neutralne w SK π 0 γγ π 0 γγ

Pierwszy przypadek T2K Zarejestrowany 24. lutego 2010 Zarejestrowany 24. lutego 2010 Widoczne dwa pierścienie wyprodukowane przez gammy z rozpadu pionu neutralnego Widoczne dwa pierścienie wyprodukowane przez gammy z rozpadu pionu neutralnego

T2K measurements (1) Muon neutrino disappearance Muon neutrino disappearance –We measure flux of surviving muon neutrinos and compare it with unoscillated flux –Careful rejection of non-quasielastic events is essential along with knowledge of initial neutrino spectrum shape #evts

T2K measurements (2) Electron neutrino appearance (θ 13 !) Electron neutrino appearance (θ 13 !) –We look for electron neutrinos resulting from oscillations –Background #1 – beam contamination –Background #2 – NC neutral pion production

Oddziaływania neutrin w T2K, produkcja rezonansowa pionów Trzy dominujące typy reakcji – quasielastyczne (QE), rezonansowe (RES), głęboko nieelastyczne (DIS) Trzy dominujące typy reakcji – quasielastyczne (QE), rezonansowe (RES), głęboko nieelastyczne (DIS) CCQE najprostsze w rekonstrukcji, używane do uzyskania widma wiązki i przekrojów czynnych w ND280 CCQE najprostsze w rekonstrukcji, używane do uzyskania widma wiązki i przekrojów czynnych w ND280 Dla energii charakterystycznych dla T2K (~1 GeV) najistotniejszym źródłem pionów jest produkcja za pośrednictwem rezonansów, głównie Δ(1232) Dla energii charakterystycznych dla T2K (~1 GeV) najistotniejszym źródłem pionów jest produkcja za pośrednictwem rezonansów, głównie Δ(1232) Przekroje czynne są parametryzowane przez funkcje struktury, wektorowe (znane z eksperymentów elektronowych) i aksjalne (znane słabo, bo możliwe do uzyskania tylko w rozpraszaniu neutrin) Przekroje czynne są parametryzowane przez funkcje struktury, wektorowe (znane z eksperymentów elektronowych) i aksjalne (znane słabo, bo możliwe do uzyskania tylko w rozpraszaniu neutrin) Symulacje dla T2K -> Oddziaływania w ND280 Przekroje czynne

Jak przewidzieć NC produkcję pizer w SK? (1) Ten kanał jest tłem dla pojawiania się neutrin elektronowych w dalekim detektorze Ten kanał jest tłem dla pojawiania się neutrin elektronowych w dalekim detektorze Możemy zmierzyć ten kanał w ND280, jednak ekstrapolacja do SK jest utrudniona – rekonstrukcja energii neutrina jest dla tych przypadków niemożliwa, a procedury ekstrapolacyjne (używające tzw. Far To Near Ratio) korzystają z różnic w profilach energetycznych. Możemy tylko zmierzyć energię samych pionów Możemy zmierzyć ten kanał w ND280, jednak ekstrapolacja do SK jest utrudniona – rekonstrukcja energii neutrina jest dla tych przypadków niemożliwa, a procedury ekstrapolacyjne (używające tzw. Far To Near Ratio) korzystają z różnic w profilach energetycznych. Możemy tylko zmierzyć energię samych pionów ν ν p π0π0 Spektrum pędowe pionów w ND280 (normalizacja arbitralna)

Jak przewidzieć NC produkcję pizer w SK? (2) Inne podejście: zmierzmy w ND280 produkcję rezonansową w kanale w którym rekonstruujemy energię: produkcji CC pionów naładowanych. Uzyskane rezultaty modelowo przeniesiemy na produkcję NC π 0 (te same parametry funkcji struktury) Inne podejście: zmierzmy w ND280 produkcję rezonansową w kanale w którym rekonstruujemy energię: produkcji CC pionów naładowanych. Uzyskane rezultaty modelowo przeniesiemy na produkcję NC π 0 (te same parametry funkcji struktury) Funkcje struktury parametryzują przekroje czynne w funkcji kwadratu przekazu czteropędu, Q 2 Funkcje struktury parametryzują przekroje czynne w funkcji kwadratu przekazu czteropędu, Q 2 Analiza detektorowa pokazuje jednak, że dla produkcji CC pionów naładowanych obserwujemy znaczący deficyt przypadków przy małym Q 2 – taka analiza jest obarczona wielkim błędem Analiza detektorowa pokazuje jednak, że dla produkcji CC pionów naładowanych obserwujemy znaczący deficyt przypadków przy małym Q 2 – taka analiza jest obarczona wielkim błędem Wniosek – pomiary w ND280 zbyt trudne, skorzystajmy z danych historycznych z komór pęcherzykowych, o dużo większych możliwościach rekonstrukcyjnych Wniosek – pomiary w ND280 zbyt trudne, skorzystajmy z danych historycznych z komór pęcherzykowych, o dużo większych możliwościach rekonstrukcyjnych Rozkłady prawdziwy i po uwzględnieniu cięć detektorowych, normalizacja do 1 w obu przypadkach

Produkcja pionów w T2K – moja analiza Model Formalizm Rarity-Schwingera dla wzbudzenia Delta(1232) Model Formalizm Rarity-Schwingera dla wzbudzenia Delta(1232) Dane Eksperymenty ANL i BNL (dane neutrino-deuteron) Dane Eksperymenty ANL i BNL (dane neutrino-deuteron) Fit Dwa parametry aksjalnych funkcji struktury dopasowujemy do danych Fit Dwa parametry aksjalnych funkcji struktury dopasowujemy do danych Symulacja i porównanie Za pomocą symulacji NuWro szacujemy niepewność w interesujących nas kanałach Symulacja i porównanie Za pomocą symulacji NuWro szacujemy niepewność w interesujących nas kanałach Oszacowanie Ostatecznie, jaka jest niepewność? Oszacowanie Ostatecznie, jaka jest niepewność? Chcemy oszacować przekrój czynny oraz jego modelową niepewność Mamy mało danych, i głównie ze starych komór pęcherzykowych

Dane – ANL, BNL ANL (Argonne National Lab, lata 70.) BNL (Brookhaven National Lab, lata 80.) Szeroka wiązka neutrin mionowych do 6GeV/15GeV, maksimum w 0.5GeV/1.2GeV Szeroka wiązka neutrin mionowych do 6GeV/15GeV, maksimum w 0.5GeV/1.2GeV Detektor – komora pęcherzykowa o średnicy 12 stóp/7 stóp wypełniona wodorem lub deuterem, 10 m 3 przestrzeni roboczej, w polu magnetycznym Detektor – komora pęcherzykowa o średnicy 12 stóp/7 stóp wypełniona wodorem lub deuterem, 10 m 3 przestrzeni roboczej, w polu magnetycznym Protony 12.4GeV (ANL) uderzają w berylową tarczę Protony 12.4GeV (ANL) uderzają w berylową tarczę 30m przestrzeni rozpadowej, 15m osłony (ANL) 30m przestrzeni rozpadowej, 15m osłony (ANL) Przypadki rejestrowane fotograficznie na kliszy i skanowane! Przypadki rejestrowane fotograficznie na kliszy i skanowane!

Dane – ANL, BNL Lekkie jądra (deuter) – obserwowalne protony spectatory o pędzie powyżej 100MeV/c Lekkie jądra (deuter) – obserwowalne protony spectatory o pędzie powyżej 100MeV/c Gammy wylatują z detektora – nie rejestrujemy pizer Gammy wylatują z detektora – nie rejestrujemy pizer Pomiary przekrojów czynnych: QE, produkcja pionów naładowanych Pomiary przekrojów czynnych: QE, produkcja pionów naładowanych QE QE [ANL] Barish et al. Study of neutrino interactions in hydrogen and deuterium... Phys. Rev. D 16, 3103 (1977) [BNL] Baker et al. Quasielastic neutrino scattering... Phys. Rev. D 23, (1981) (and others)

Model i fit Resonance model: Rarita- Schwinger formalism for the Delta(1232) excitation(good approximation in ~1GeV energy range) Resonance model: Rarita- Schwinger formalism for the Delta(1232) excitation(good approximation in ~1GeV energy range) Axial form factors with 2 free parameters: axial mass M A and C 5 A (0) Axial form factors with 2 free parameters: axial mass M A and C 5 A (0) K.Graczyk, J. T. Sobczyk, Phys. Rev. D 77, (2008) K.Graczyk, J. T. Sobczyk, Phys. Rev. D 77, (2008) K.Graczyk, J. T. Sobczyk, Phys. Rev. D 79, (E) (2009) 20% for ANL data 10% for BNL data

Wynik fitu The fit is consistent with both ANL and BNL experiments ANL BNL

Niepewność produkcji pionów The elipse is obtained from BNL and ANL fit The elipse is obtained from BNL and ANL fit Points shown on the right are for CCpiplus/NCpizero cross section (1sigma min and max) calculated separately for different neutrino energies Points shown on the right are for CCpiplus/NCpizero cross section (1sigma min and max) calculated separately for different neutrino energies We will now use neutrino simulations to obtain cross section uncertainty for the above channels We will now use neutrino simulations to obtain cross section uncertainty for the above channels

Simulations Generator: Nuance (by Dave Casper from UCI) Generator: Nuance (by Dave Casper from UCI) Tested with K2K data* Tested with K2K data* –π 0 production – K2K experiment, measurement on water (1kt detector) FSI (final state interactions) implemented FSI (final state interactions) implemented –They can be turned off (for comparison purposes) Resonance model: Rein- Sehgal (multiple resonances) Resonance model: Rein- Sehgal (multiple resonances) Generator: NuWro (Wrocław Neutrino Group) Generator: NuWro (Wrocław Neutrino Group) Rarita-Schwinger resonance model (the same one was used in the fit) Rarita-Schwinger resonance model (the same one was used in the fit) Used with parameter sets obtained in fitting procedure – to get error contours as a function of energy Used with parameter sets obtained in fitting procedure – to get error contours as a function of energy Samples: Samples: –5 files for energies GeV and 4GeV (for cross-section stimation) on water Two samples for both generators: with and without FSI Two samples for both generators: with and without FSI No detector effects here No detector effects here We take into account RES and DIS events We take into account RES and DIS events Nuance is used here as a reference Nuance 3.006NuWro *Measurement of single π 0 production in neutral current neutrino interactions with water by a 1.3 GeV wide band muon neutrino beam, K2K Collab., Physics Letters B 619 (2005) 255–262

Wyniki – piony dodatnie (1)

Wyniki – piony dodatnie (2)

Wyniki – piony neutralne

Jakie energie neutrin są ważne? Energia pionów – MeV Energia pionów – MeV Energia neutrin – 1-4 GeV Energia neutrin – 1-4 GeV Energia neutrina a energia elektronu

Zdarzenia wielopionowe (1) When we see a single pi zero it doesnt have to be a single pion event; it can also be a multipion event (π 0 +nπ +/-), with other (charged) pions being low-energetic and this way invisible to us in water Čerenkov detector like SK When we see a single pi zero it doesnt have to be a single pion event; it can also be a multipion event (π 0 +nπ +/-), with other (charged) pions being low-energetic and this way invisible to us in water Čerenkov detector like SK Lets estimate how much we miss by taking into account only single pion events Lets estimate how much we miss by taking into account only single pion events In other words – how many multipion events may look like a single pizero in SK? In other words – how many multipion events may look like a single pizero in SK? Nuance Monte Carlo (water, 500,000evts) NC 1 π 0 total26377 NC 1 π 0 0 π +/ (79%) NC 1 π 0 1 π +/ (12%) NC 1 π 0 2 π +/ (7%) To see a charged particle, it has to have energy over the Cherenkov threshold To see a charged particle, it has to have energy over the Cherenkov threshold With other rings in the vicinity, the realistic value should be 50MeV above the threshold (we need a distinguishable ring) With other rings in the vicinity, the realistic value should be 50MeV above the threshold (we need a distinguishable ring) is assumed to be always visible by its decay into two gammas π 0 is assumed to be always visible by its decay into two gammas Visibility assumptions

Zdarzenia wielopionowe (2) All events visible as single pizero Events that fake single pizero (being in fact a multipi) threshold (1.8%) threshold +50MeV (3.7%) 1.5*m+50MeV Multi pi background Single visible pizeros 4% is not a large contribution, at least in the first phase of the experiment 4% is not a large contribution, at least in the first phase of the experiment But in the phase of precise measurements even 4% may be significant But in the phase of precise measurements even 4% may be significant Measurements in ND280, perhaps in future 2km LAr detector? Measurements in ND280, perhaps in future 2km LAr detector?

Przekroje czynne: co warto zapamiętać We believe this analysis gives us the best error estimation using ANL and BNL data We believe this analysis gives us the best error estimation using ANL and BNL data The uncertainty is at the level of 6-10% The uncertainty is at the level of 6-10% The analysis takes into account only resonant component of uncertainty – we have to remember also about nonresonant background The analysis takes into account only resonant component of uncertainty – we have to remember also about nonresonant background Multipion events are negligible in the first order of approximation Multipion events are negligible in the first order of approximation Nasza publikacja: K. M. Graczyk, D. Kielczewska, P. Przewlocki, and J. T. Sobczyk, C5A axial form factor from bubble chamber experiments, Phys. Rev. D 80, (2009). Nasza publikacja: K. M. Graczyk, D. Kielczewska, P. Przewlocki, and J. T. Sobczyk, C5A axial form factor from bubble chamber experiments, Phys. Rev. D 80, (2009). Wszystko również w moim doktoracie Wszystko również w moim doktoracie T2K już zbiera dane! T2K już zbiera dane!

Rezerwa

Oscylacje – 3 zapachy Zakładając Δ m 2 sol << Δ m 2 atm, Δ m 2 13 = Δ m 2 23 = Δ m 2 atm, Δ m 2 12 = Δ m 2 sol, δ=0 mamy dwa przypadki: atmosferyczny – małe L/E atmosferyczny – małe L/E słoneczny – duże L/E słoneczny – duże L/E Gdy θ 13 =0 (a jest na pewno małe), to wzory redukują się do 2-zapachowych. (CHOOZ)