Nadświetlne neutrina – pomiar eksperymentu OPERA i możliwości jego sprawdzenia Agnieszka Zalewska Seminarium IFJ PAN, Referat oparty głównie na pracy T.Adam et al., Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam oraz na referacie D.Autiero w CERN-ie w dniu

2 Zasada pomiaru prędkości neutrin mionowych z wiązki CNGS w eksperymencie OPERA W oparciu o: precyzyjny pomiar drogi neutrin z CERN-u do Gran Sasso precyzyjny pomiar czasu przelotu neutrin od chwili ich powstania (CERN) do chwili ich detekcji (detektor OPERA w Gran Sasso) dane zebrane w latach 2009, 2010 i 2011 (~16000 oddziaływań Statystyczna znaczącość pomiaru wynosi 6 sigma

3

4 Program CNGS Eksperyment OPERA jest częścią programu CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) – drugim eksperymentem jest ICARUS Program CNGS dotyczy bezpośredniego zaobserwowania oddziaływań neutrin taonowych pochodzących z oscylacji neutrin mionowych Eksperyment OPERA rozpoczął zbieranie danych w 2006 roku (z całym detektorem w 2008 roku), eksperyment ICARUS – w 2010 roku

5 CNGS (CERN neutrinos to Gran Sasso) CERN Gran Sasso BCT: Sygnał proporcjonalny do natężenia wiązki protonów

6 43.4m 100m 1095m18m5m 67m 2.7m TBID 1 Target unit: 13 graphite rods 10cm 1 Magazine: 1 unit used, 4 in situ spares 994m long, 2.45m 1mbar vacuum 100kW 270cm 11.25cm Muon detectors: 2x41 LHC type BLMs Target chamber: 100m 2 HORNS: 7m long, 150/180kA pulsed Water cooled Remote polarity change 1.8mm inner conductor CNGS Secondary Beam Line Edda Gschwendtner, CERN 6 Laguna, 17 Oct 2011, CERN

7 Profil czasowy pojedynczej ekstrakcji protonów z SPS

8 Wiązka CNGS Własności wiązki: L=730 km; =17 GeV Zanieczyszczenie: = 2.1% ( e + e ) = 1.0% 730 Km CERN LNGS Wiązka zoptymalizowana na pojawianie się, których oddziaływania identyfikowane są poprzez detekcję leptonu

9 Eksperyment OPERA

10 Detektor OPERA Veto plane (RPC) High precision tracker Instrumented dipole magnet 6 4-fold layers of 1.53 T drift tubes 22 XY planes of RPC in both arms Muon spectrometer (8×10 m 2 ) SM1 SM kton Target and Target Tracker (6.7m) 2 Target : bricks, 29 walls Target tracker : 31 XY doublets of 256 scintillator strips + WLS fibres + multi- anodes PMT for Brick selection Calorimetry Rencontres de Moriond EW 2008 C.Pistillo - Bern Univ. 8

11 Funkcje TT: wstępna lokalizacja wierzchołka oddziaływania i pomiar czasu zdarzenia

12 Przykłady oddziaływań w detektorze OPERA Analiza przeprowadzona została dla 7586 oddziaływań neutrin w tarczy (lewa strona obrazka) i 8525 oddziaływań w skale przed detektorem (prawa strona).

13 Pierwsze (i jedyne) oddziaływanie z przejścia obserwacja z maja 2010 roku

14 Selekcja oddziaływań neutrin w detektorze OPERA Selekcja zdefiniowana w 2006 roku Okno czasowe Synchronizacja przez GPS z dokładnością 100 nsek (zupełnie wystarczająca do tego celu) Pomiar rzeczywistego czasu zdarzenia w detektorze TT

15 Zasada pomiaru prędkości neutrin Potrzebny: dokładny pomiar odległości, dokładny pomiar czasu w obu miejscach i bardzo dobra synchronizacja czasu między CERN-em i Gran Sasso

16

17 Pomiar odległości CERN - LNGS Względne położenia elementów wiązki CNGS mierzone z dokładnością 1 mm, po przetranformowaniu do układu ETRF2000 (globalny system europejski 3D pomiaru położenia ) znane z dokładnością do 2 cm Czerwiec 2011 – równoczesny pomiar punktów referencyjnych GPS w CERN-ie i GS (na końcach tunelu) – dokładność ~1cm wynik pomiaru odległości BCT- układ odniesienia OPERY Największy wkład do błędu pochodzi z przeniesienia informacji z GPS na brzegach tunelu w Gran Sasso do geodezyjnych punktów odniesienia w laboratorium LNGS - ~20 cm wynik dedykowanych pomiarów geodezyjnych w okresie lipiec- wrzesień 2010

18 LNGS – monitorowanie położenia Widać powolny dryf kontynentalny i wpływ trzęsienia ziemi w Aquili

19 Synchronizacja CERN - LNGS 2008 rok: dodany został znacznie lepszy, bliźniaczy system pomiaru czasu w CERN-ie i w Gran Sasso (precyzyjny GPS + zegar atomowy), synchronizacja z dokładnością ~1 nsek między punktami referencyjnymi w CERN-ie i w Gran Sasso.

20 System pomiaru czasu w CERN-ie

21 System pomiaru czasu w LNGS

22 Techniki kalibracji pomiarów opóźnień

23 Zestawienie pomiarów opóźnień

24 Analiza danych Bazuje na porównaniu profili czasowych protonów w CERN-ie z rozkładami czasu dla oddziaływań neutrin w detektorze OPERA

25 Wyniki analizy na ślepo Na ślepo, tzn. w oparciu o kryteria i kalibracje z 2006 roku, lepsze kalibracje i nowe pomiary uwzględnione w formie popraweki (łącznie ns)

26 Powiększone końce rozkładów

27 Dodatkowe sprawdzenia

28 Zestawienie poprawek i przyczynków do błędu systematycznego

29 Zależność od energii neutrin ? Analiza w oparciu o oddziaływania CC, gdyż tylko dla nich można wyznaczyć energię neutrin, różnica w granicach błędu

30 Ostateczny wynik pomiarów OPERY Statystyczna znaczącość pomiaru wynosi 6 sigma

31 Wcześniejsze pomiary prędkości neutrin Statystyczna znaczącość pomiaru wynosi 6 sigma

32 Neutrina z wybuchu Supernowej SN1987A Neutrina zarejestrowane parę godzin wcześniej niż fotony – pomiar OPERY implikowałby sygnał neutrinowy kilka lat wcześniej, Ale może silna zależność efektu od energii neutrin Fakt innego zapachu neutrin w obu pomiarach nie powinien mieć znaczenia.

33 Jak sprawdzić pomiary OPERY? Poprzez inne pomiary w eksp. OPERA: - diamentowe detektory na wiązce mionów z rozpadów, K - inna struktura czasowa wiązki: paczki protonów o długości pojedynczych nsek w odległości rzędu 100 nsek W innym eksperymencie z długą bazą pomiarową: MINOS i T2K

34 CERN Informacja z wczoraj: pod koniec przyszłego tygodnia będzie wiązka o czasowej długości impulsu 1 nsek co 150 nsek, czas trwania wiązki – 10 dni Detektory diamentowe dla monitorowania wiązek w LHC pozwolą na pomiar czasowej struktury nominalnej wiązki CNGS z dokładnością ~2 nsek pomiary w 2012 roku (2011?) 270cm 11.25cm Muon Detector

35 Program NuMI w USA regulowalna energia wiązki (przez zmianę odległości między tarczą i magnesami-rożkami) Większość danych zebrana przy najniższej energii wiązki (LE) Skład wiązki: 92.9% 5.8% 1.3 e + e

36 Detektor MINOS Bliski detektor o masie 1 ktony w FNAL, daleki o masie 5.4 ktony w kopalni Soudan w stanie Minessota, obydwa zbudowane z namagnesowanych płyt z żelaza, przełożonych scyntylatorami Daleki detektor MINOS

37 Pomiar z 2007 roku

38

39 Eksperyment T2K (Tokai to Kamiokande)

40 Pożyczone podsumowanie…

41

42 v>c dla cząstek naładowanych w materii – czemu nie? Na przykład w wodnym detektorze Czerenkowa Jeśli naładowane cząstki, np. powstałe w oddziaływaniach neutrin, poruszają się w wodzie szybciej niż światło, to wzdłuż ich torów emitowane jest promieniowanie Czerenkowa pod kątem (cos =1/n ). Fotony czerenkowskie, w postaci pierścienia, rejestruje się przy pomocy fotopowielaczy – rozkład i czas powstania sygnału służą do wyznaczenia kierunku naładowanej cząstki (-> kierunku neutrina) i miejsca oddziaływania - wielkość sygnału, kąt rozwarcia stożka oraz jego wygląd pozwalają wyznaczyć energię i rodzaj cząstki (-> energię i rodzaj neutrina)

43 Detektor SuperKamiokande e

44 Wytwarzanie wiązki neutrinowej w CERN-ie Ale: Nieznany punkt produkcji neutrina z rozpadu /K -> dokładny pomiar czasu dla protonów i pełna symulacja (FLUKA) od wiązki protonów po rozpady mezonów