Poszukiwanie sygnału neutrin taonowych w detektorze SuperKamiokande Paweł Przewłocki Co badamy? Neutrina atmosferyczne Oscylacje neutrin Czym badamy? Detektor SuperKamiokande W jaki sposób? Słowo o symulacjach Moja analiza nt

Co badamy? n atmosfera Ziemia Pierwotne promieniowanie kosmiczne Oscylacje? n atmosfera SuperK Ziemia

Neutrina atmosferyczne z oddziaływań pierwotnych promieni kosmicznych: głownie protonów, jąder helu i innych pierwiastków z atomami cząsteczek powietrza powstają wtórne mezony – głównie piony i kaony Neutrina powstają głównie z rozpadów naładowanych pionów: 2 razy więcej nm niż ne nt nie są produkowane!

Oscylacje neutrin Jeśli neutrina mają masę, możliwa jest zmiana zapachu neutrin. Przyjmujemy, że stany własne zapachu są pewną kombinacją stanów własnych masy: Stany własne masy propagują się z różną prędkością n1(t)=n1(0)exp(-iE1t) n2(t)=n2(0)exp(-iE2t)

Oscylacje neutrin prawdopodobieństwo zmiany zapachu dane jest następującym wzorem: W rzeczywistości mamy trzy zapachy i trzy stany własne masy:

Oscylacje neutrin Na skutek oscylacji mogą pojawić się neutrina taonowe!

Oddziaływania neutrin w detektorze l NC CC N N’ N N’ n t tau CC N N’

Zjawisko Czerenkowa cząstka naładowana, przemierzając ośrodek z prędkością większą niż prędkość światła w tym ośrodku emituje promieniowanie Czerenkowa promieniowanie to emitowane jest w kształcie stożka i jest rejestrowane przez detektor w postaci pierścieni W SK widzimy: elektrony, miony, piony naładowane, gammy z rozpadów pionów obojętnych q

Detektor SuperKamiokande

Detektor SuperKamiokande http://www.astro.washington.edu/kristine/SuperK/

Typy przypadków Elektronowe – pierścień obustronnie rozmyty – elektrony, gammy z rozpadu pionów obojętnych Mionowe – z ostrym zewnętrznym brzegiem – miony, piony naładowane

Analiza danych Wykluczenie zdarzeń pochodzących od mionów kosmicznych – przy wykorzystaniu danych z detektora zewnętrznego Wykluczenie tła pochodzącego od aktywności skał i mionów kosmicznych – fiducial cut – odrzucenie przypadków o wierzchołku oddziaływania odległym od ścian detektora o mniej niż 2 metry 2 typy przypadków: Częsciowo zawarte (partially contained) – podczas emisji fotonów czerenkowa opuściły detektor – dokładna rekonstrukcja ich energii jest niemożliwa W pełni zawarte (fully contained) – pozostałe. W SuperKamiokande jesteśmy w stanie zrekonstruować: kierunek cząstki dającej pierścień wierzchołek oddziaływania jej pęd oraz energię widzialną (energię fotonów zarejestrowanych przez fotopowielacze)

SK – odkrycie oscylacji Badano rozkłady kąta zenitalnego Porównywano dane z symulacjami z uwzględnieniem i bez uwzględnienia oscylacji Wśród przypadków mionowych stwierdzono deficyt dla neutrin idących z dołu detektora Stwierdzono, iż dane najlepiej opisuje symulacja uwzględniająca oscylacje neutrin mionowych w neutrina taonowe bądź sterylne (dalsza analiza wykluczyła oscylację tylko w neutrina sterylne) Neutrina idące z dołu przebywają dłuższą drogę! Y. Fukuda et al.. [SK collab.] „Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos”, hep-ex/9807003.

Program symulacyjny dla SK – NEUT symulacje Program symulacyjny dla SK – NEUT Kroki symulacji: Generacja oddziaływań neutrin Generacja kinematyki przypadków Propagacja cząstek w wodzie Symulacja detektora – propagacja światła Czerenkowa Analiza danych Tworzenie plików z danymi Dwa rodzaje próbek: Atmosferyczna (oddziaływania neutrin elektronowych i mionowych CC i NC) Taonowa (oddziaływania neutrin taonowych CC) W każdej uwzględniono oscylacje z następującymi wartościami parametrów:

Ogólny schemat analizy Wybór zmiennej należy wybrać zmienną, której rozkłady w próbce atmosferycznej i taonowej różnią się – pozwoli to nam zaobserwować ewentualny wkład od neutrin taonowych. Zwykle zmienną tą jest kąt zenitalny – kąt między zrekonstruowanym kierunkiem neutrina a osią detektora. Dokonujemy dopasowania do danych Aby zminimalizować atmosferyczne tło, dokonujemy cięć wykorzystując do tego inne zmienne sygnał jest bardzo słaby (wedle przewidywań tylko ok. 0.6% przypadków może być taonowych) – musimy go wzmocnić zwiększamy stosunek sygnał/tło kosztem efektywności

Moja metoda Odejście od zmiennych pochodzących z rekonstrukcji Oparcie się na danych pochodzących bezpośrednio z fotopowielaczy i tworzenie zmiennych na ich podstawie Schemat analizy: Wstępna selekcja Konstrukcja i rozkłady zmiennych Wybór cięć Rozkłady kąta zenitalnego Dopasowanie i oszacowanie wkładu taonowego

Wstępna selekcja przypadków fiducial cut (FV) odległość od ścian > 2m Cięcie energetyczne (MultiGeV) Evis > 1330 MeV eliminuje 75% atm, 20% tau Evistau/Evisatm Próg na produkcję taonu: Eprogowa=3.4GeV

uwzględnienie pochłaniania Przy odczycie danych dotyczących zdeponowanego ładunku w fotopowielaczach uwzględniono pochłanianie światła w wodzie: x-odległość przebyta przez fotony, l- długość pochłaniania w wodzie (dla SK 70 metrów) liczebność próbek Typ próbki l.przypadków l.p. z uwzględnieniem ew. oscylacji l.p. (selekcje FV i MultiGeV) MC atmosferyczne 32124 25882.5 4401.5 MC taonowe 1975 429.6 263.7 Dane (1289.4 dni pracy detektora) 20230 2531

Konstrukcja zmiennych Poniższe zmienne zostały skonstruowane na podobieństwo akceleratorowych zmiennych thrust i sphericity – opisują one kształt przypadków, czyli stopień rozproszenia fotonów Czerenkowa w detektorze. Prosta podłużność Skalarna podłużność Skalarna poprzeczność wi ss

Prosta podłużność 3 1 2

Skalarna podłużność 6 4 5

Skalarna poprzeczność 7

analiza energetyczna Czy obserwowane różnice w rozkładach nie pochodzą wyłącznie od różnic w energetyczności przypadków? Aby sprawdzić tę hipotezę, przeważono przypadki atmosferyczne tak, aby rozkłady energetyczne obu próbek były takie same. Nadal widać różnice!

Wybór przedziałów 2 i 5 – przedziały maksymalnie szerokie, 3 i 6 – najmniejsze tło atmosferyczne.

Kierunek lotu neutrina Do uzyskania rozkładów kąta zenitalnego potrzebny jest nam kierunek lotu wchodzącego neutrina Jako jego przybliżenie bierzemy oś prostej podłużności Sprawdzenie akceptowalności tego przybliżenia jest możliwe dla przypadków z symulacji, których prawdziwy kierunek znamy <cos q >= 0.949(02)

Przykładowe rozkłady kąta zenitalnego

Test na poprawność symulacji W przedziale cos q > 0.2 (przypadki idące z góry), wkład przypadków taonowych jest znikomy, i symulacja atmosferyczna powinna odtwarzać dane

Dopasowanie wyniki

Dopasowanie i oszacowanie wkładu od oddziaływań neutrin taonowych Dopasowanie wskazuje, że detektor rejestruje rocznie 43(12) (przedział 3.), 32(12) (przedział 6.) przypadków w swej przestrzeni roboczej (FV) Jest to zgodne z przewidywaniami* wedle których oczekuje się 0.9 przypadków taonowych na kT*rok (co daje 20 przypadków na rok w FV SK) *M.Messier, „Evidence for neutrino mass from observations of atmospheric neutrinos with SK”, UMI-99-23965.

podsumowanie Oszacowano wkład od oddziaływań taonowych Wynik wskazuje na występowanie zdarzeń taonowych (na poziomie 3sigma) Uzyskany wynik jest zgodny z przewidywaniami hipotezy oscylacji neutrin mionowych w taonowe Wskazane jest powtórzenie analizy dla większych próbek, aby zminimalizować błędy statystyczne Głębszy wgląd w naturę oscylacji dostaniemy dzięki nowym eksperymentom z długą bazą: Icarusowi i Operze.