Piony neutralne w ciekłoargonowym detektorze eksperymentu T2K Paweł Przewłocki Instytut Problemów Jądrowych Warszawska Grupa Neutrinowa, 2006

Eksperyment - Tokai2Kamioka Eksperyment - Tokai2Kamioka Detektor – Ciekłoargonowy TPC Detektor – Ciekłoargonowy TPC Analiza - Pizera Analiza - Pizera Piony neutralne w ciekłoargonowym detektorze eksperymentu T2K

T2K – gdzie to jest KamiokaTokai

Schemat eksperymentu Akcelerator, róg i rura rozpadowa Monitor mionowy Bliski detektor Stacja pośrednia (a w niej nasz detektor) Detektor daleki (SuperKamiokande) Wiązka pozaosiowa Spodziewany rok uruchomienia: 2009.

Jeśli neutrina mają masę, możliwa jest zmiana zapachu neutrin. Jeśli neutrina mają masę, możliwa jest zmiana zapachu neutrin. Przyjmujemy, że stany własne zapachu są pewną kombinacją stanów własnych masy (tu dla dwóch zapachów neutrin): Przyjmujemy, że stany własne zapachu są pewną kombinacją stanów własnych masy (tu dla dwóch zapachów neutrin): Stany własne masy propagują się z różną prędkością 1 (t)= 1 (0)exp(-iE 1 t) 2 (t)= 2 (0)exp(-iE 2 t) Stany własne masy propagują się z różną prędkością 1 (t)= 1 (0)exp(-iE 1 t) 2 (t)= 2 (0)exp(-iE 2 t) Oscylacje neutrin

Oscylacje neutrin - stan obecny Eksperymenty słoneczne i reaktorowe: SK, SNO, Kamland Δ m 2 sol = ± eV 2, tan2θ sol =0.44 ±0.08 Eksperymenty atmosferyczne SK, K2K

Oscylacje - 3 zapachy

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)

Chcemy zmierzyć θ 13, Δm 23 2, θ 23, w jednym eksperymencie… Jak to zrobić? Czysta wiązka neutrin mionowych: szukamy znikających v μ i pojawiających się v e Czysta wiązka neutrin mionowych: szukamy znikających v μ i pojawiających się v e Duża statystyka Duża statystyka Efektywna i sprawdzona rekonstrukcja przypadków Efektywna i sprawdzona rekonstrukcja przypadków Dobrze znane i separowalne tło Dobrze znane i separowalne tło

T2K… spełnia te warunki: Silna wiązka tworzona przez 0.75MW wiązkę protonową z akceleratora w Tokai (JPARC) Silna wiązka tworzona przez 0.75MW wiązkę protonową z akceleratora w Tokai (JPARC) Czysta wiązka neutrin mionowych (wkład od v e 0.8%) Czysta wiązka neutrin mionowych (wkład od v e 0.8%) Wąski profil energetyczny ustawiony w maksimum oscylacji (odpowiednie L/E) Wąski profil energetyczny ustawiony w maksimum oscylacji (odpowiednie L/E) Niskie energie neutrin, E<1GeV – badamy głównie procesy QE, łatwe w rekonstrukcji Niskie energie neutrin, E<1GeV – badamy głównie procesy QE, łatwe w rekonstrukcji Detektor (SK) - sprawdzony, wiemy co się w nim dzieje Detektor (SK) - sprawdzony, wiemy co się w nim dzieje

Wiązka pozaosiowa (off-axis) OA1 OA3 OA2 νμνμ νeνe Strumień neutrin (OA2) liczba oddziaływań ν μ CC Tło dla oddziaływań neutrin elektronowych pochodzących z oscylacji!

Detektor Superkamiokande Wodny detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys PMT (przed wypadkiem)

Detektor pośredni Detektor czerenkowowski – takie same przekroje czynne jak w SK Detektor wysokoenergetycznych mionów do badania wysokoenergetycznej części widma T2K-LAr

Detektor – T2K LAr Ciekłoargonowa komora projekcji czasowej (LAr TPC) Ciekłoargonowa komora projekcji czasowej (LAr TPC) Pojemność ok. 100 ton Pojemność ok. 100 ton Dwie płaszczyzny drutów odczytu Dwie płaszczyzny drutów odczytu Możliwy wkład z suchego lodu Możliwy wkład z suchego lodu Możliwość pomiaru przekrojów czynnych Możliwość pomiaru przekrojów czynnych Nadaje się też do pomiaru strumienia, pomiaru elektronowego składnika wiązki i produkcji pizer Nadaje się też do pomiaru strumienia, pomiaru elektronowego składnika wiązki i produkcji pizer Trwają intensywne studia nad konstrukcją i wykorzystaniem detektora (m.in. Grupa Andre Rubii z ETHZ Zurich) Trwają intensywne studia nad konstrukcją i wykorzystaniem detektora (m.in. Grupa Andre Rubii z ETHZ Zurich)

Ciekłoargonowa komora projekcji czasowej: Jak to wygląda? Detektor jest aluminiowym pudełkiem (kriostatem) wypełnionym ciekłym argonem Detektor jest aluminiowym pudełkiem (kriostatem) wypełnionym ciekłym argonem W środku jest katoda (pole elektryczne) W środku jest katoda (pole elektryczne) Równolegle do ścian są rozpięte dwie płaszczyzny drutów – indukcyjna (induction) i zbierająca (collection) – 45st, -45st Równolegle do ścian są rozpięte dwie płaszczyzny drutów – indukcyjna (induction) i zbierająca (collection) – 45st, -45st Z przodu: Katoda Płaszczyzny drutów Moduł:

Ciekłoargonowa komora projekcji czasowej: Jak to działa?

Ciekłoargonowa komora projekcji czasowej: Zalety Wysoka rozdzielczość: 3x3x0.6mm 3 Wysoka rozdzielczość: 3x3x0.6mm 3 Nieprzerwanie czuła Nieprzerwanie czuła Możliwa identyfikacja cząstek Możliwa identyfikacja cząstek Dobre zdolności kalorymetryczne Dobre zdolności kalorymetryczne Precyzyjna rekonstrukcja topologii przypadków Precyzyjna rekonstrukcja topologii przypadków Możliwość samowyzwalania Możliwość samowyzwalania

Przykłady przypadków (z Icarusa) Kaskada elektromagnetyczna Oddziaływanie hadronowe Rozpad mionu

Analiza, czyli co chcielibyśmy zrobić? Chcemy mierzyć elektronowy składnik wiązki Chcemy mierzyć elektronowy składnik wiązki Jest to szczególnie ważne w eksperymentach zorientowanych na pojawianie się e (takich jak T2K) Jest to szczególnie ważne w eksperymentach zorientowanych na pojawianie się e (takich jak T2K) Wydzielamy przypadki typu e od innych o podobnej topologii Wydzielamy przypadki typu e od innych o podobnej topologii Tło to głównie przypadki NC z produkcją jednego 0 ( 0 rozpada się na dwie gammy, każda z nich może spowodować kaskadę) Tło to głównie przypadki NC z produkcją jednego 0 ( 0 rozpada się na dwie gammy, każda z nich może spowodować kaskadę) ν μ NC 0 ν e CC

Trzy metody Trzy metody Szukamy dwóch kaskad wskazujących na jedno miejsce (które podejrzewamy o bycie wierzchołkiem) (do zrobienia) Szukamy dwóch kaskad wskazujących na jedno miejsce (które podejrzewamy o bycie wierzchołkiem) (do zrobienia) Sprawdzamy wzorzec straty energii (dE/dx) jeśli widzimy tylko jedna kaskadę (analiza eksperymentu ICARUS) Sprawdzamy wzorzec straty energii (dE/dx) jeśli widzimy tylko jedna kaskadę (analiza eksperymentu ICARUS) Albo patrzymy czy jest jakaś widoczna cząstka (proton albo naładowany pion) w wierzchołku oddziaływania, i czy widzimy odstęp między tym wierzchołkiem a widzialną kaskadą (moja analiza) Albo patrzymy czy jest jakaś widoczna cząstka (proton albo naładowany pion) w wierzchołku oddziaływania, i czy widzimy odstęp między tym wierzchołkiem a widzialną kaskadą (moja analiza)... i jak?

Metoda używana w mojej analizie Załóżmy, że pizero może być wizualnie rozpoznane, tzn. odstęp uznajemy za widoczny, gdy wynosi przynajmniej 1cm Załóżmy, że pizero może być wizualnie rozpoznane, tzn. odstęp uznajemy za widoczny, gdy wynosi przynajmniej 1cm Długość konwersji fotonu w LAr wynosi 18cm; czyli mamy 5.4% pionów źle zidentyfikowanych Długość konwersji fotonu w LAr wynosi 18cm; czyli mamy 5.4% pionów źle zidentyfikowanych Jeśli połączymy tę metodę z dE/dx, dostaniemy 0.35% (dla pionów o energii 250MeV) pomylonych pionów, ale... Jeśli połączymy tę metodę z dE/dx, dostaniemy 0.35% (dla pionów o energii 250MeV) pomylonych pionów, ale... Musimy wiedzieć gdzie jest wierzchołek, czyli widzieć w jego miejscu jakiś tor Musimy wiedzieć gdzie jest wierzchołek, czyli widzieć w jego miejscu jakiś tor

Moja analiza Moja analiza ma na celu sprawdzenie jaki procent przypadków z produkcją pi zero można zidentyfikować patrząc na odstęp kaskady od wierzchołka Moja analiza ma na celu sprawdzenie jaki procent przypadków z produkcją pi zero można zidentyfikować patrząc na odstęp kaskady od wierzchołka Analiza dla detektora T2K LAr (geometria, wiązka) Analiza dla detektora T2K LAr (geometria, wiązka) Generacja przypadków – Nuance Generacja przypadków – Nuance Nuance to aplikacja symulacyjna rozwijana początkowo dla IMB (Dave Casper) czyli dla detektorów czerenkowowskich, ale najnowsza, używana przeze mnie wersja pozwala na specyfikację dowolnego medium (wybrałem Argon) Nuance to aplikacja symulacyjna rozwijana początkowo dla IMB (Dave Casper) czyli dla detektorów czerenkowowskich, ale najnowsza, używana przeze mnie wersja pozwala na specyfikację dowolnego medium (wybrałem Argon)

Moja analiza – dwa etapy Na początek podejście konserwatywne: zobaczmy ile przypadków z pizerem zidentyfikujemy, jeśli założymy, że cząstka w wierzchołku jest widoczna gdy widać jej sygnał na trzech kolejnych drutach Na początek podejście konserwatywne: zobaczmy ile przypadków z pizerem zidentyfikujemy, jeśli założymy, że cząstka w wierzchołku jest widoczna gdy widać jej sygnał na trzech kolejnych drutach Potem możemy obejrzeć przypadki, które uznaliśmy tym sposobem za niewidzialne i zorientować się, czy nasze założenie nie było zbyt wygórowane – wizualne skanowanie przypadków Potem możemy obejrzeć przypadki, które uznaliśmy tym sposobem za niewidzialne i zorientować się, czy nasze założenie nie było zbyt wygórowane – wizualne skanowanie przypadków

How to see a particle (in LAr) Zakładamy, że oczekujemy sygnału na trzech kolejnych drutach Zakładamy, że oczekujemy sygnału na trzech kolejnych drutach Bierzemy pod uwagę każdy tor pochodzący od naładowanej cząstki (protony, naładowane piony, miony, elektrony, naładowane kaony), i liczymy jego długość używając znanych zależności zasięg-energia Bierzemy pod uwagę każdy tor pochodzący od naładowanej cząstki (protony, naładowane piony, miony, elektrony, naładowane kaony), i liczymy jego długość używając znanych zależności zasięg-energia Robimy rzut na płaszczyznę drutów Robimy rzut na płaszczyznę drutów Robimy drugi rzut, tym razem na kierunki drutów w obydwu płaszczyznach (45deg, -45deg) Robimy drugi rzut, tym razem na kierunki drutów w obydwu płaszczyznach (45deg, -45deg) Jeśli większa z otrzymanych wartości przekracza 9mm ( 3 druty razy 3mm [odległość między drutami]) uważamy tor za widzialny Jeśli większa z otrzymanych wartości przekracza 9mm ( 3 druty razy 3mm [odległość między drutami]) uważamy tor za widzialny z y Exclusion of y coordinate Rotation by 45deg. x and z give us needed lengths x

Informacje techniczne Symulalacja: Nuance Symulalacja: Nuance Wiązka 2km Wiązka 2km Neutrina mionowe, ca NC wygenerowanych przypadków Neutrina mionowe, ca NC wygenerowanych przypadków Nie robimy symulacji detektora Nie robimy symulacji detektora Zamiast tego prosty kod w C++, sprawdzający, które tory są widzialne Zamiast tego prosty kod w C++, sprawdzający, które tory są widzialne

Protony and piony - widzialność Black – all, red – invisible MeV/c

Widzialność - podsumowanie particle visibleinvisible protons % % charged п %781.2% charged K %32.8%

Widzialność wierzchołka a pizera wyniki#evts25636 #evts with 1 or more pizeros 4301 (17%) #pizero events with 1 or more visible track (at the vertex) 2762 (11% of all, 64% of all pizero evts) #unidentifiable pizeros 1539 (36% of all pizero events)

Relaxing the cuts... Czy te niskoenergetyczne protony są naprawdę niewidzialne? Być może potrafimy je zobaczyć nawet jeśli zostawiają sygnał na jednym bądź dwóch drutach? Czy te niskoenergetyczne protony są naprawdę niewidzialne? Być może potrafimy je zobaczyć nawet jeśli zostawiają sygnał na jednym bądź dwóch drutach? Żeby to sprawdzić, trzeba zrobić symulację detektora i popatrzyć na przypadki (przeskanować je) Żeby to sprawdzić, trzeba zrobić symulację detektora i popatrzyć na przypadki (przeskanować je) Taką analizę zacząłem robić – wysymulowałem kilkadziesiąt przypadków przy pomocy symulacji dla T2K-LAr (Geant4) Taką analizę zacząłem robić – wysymulowałem kilkadziesiąt przypadków przy pomocy symulacji dla T2K-LAr (Geant4) Analiza ciągle trwa. To co pokaże za chwilę trzeba traktować jako wstępne wyniki Analiza ciągle trwa. To co pokaże za chwilę trzeba traktować jako wstępne wyniki

Testowa próbka niskoenergetycznych protonów 60 przypadków typu NC 60 przypadków typu NC Z przynajmniej jednym pi zero Z przynajmniej jednym pi zero Jeden proton z energią kinetyczna 20MeV (odpowiada z grubsza ~200MeV/c w pędzie) Jeden proton z energią kinetyczna 20MeV (odpowiada z grubsza ~200MeV/c w pędzie) Dowolna liczba neutronów Dowolna liczba neutronów GeV/c Proton momentum

Przykładowe przypadki Dwie słabe kaskady Dwie słabe kaskady Induction Collection

Przykładowe przypadki Dwie kaskady zlane w jedną (nakładające się) Dwie kaskady zlane w jedną (nakładające się)

Przykładowe przypadki Szum neutronowy Szum neutronowy

Przykładowe przypadki Total chaos:-) Total chaos:-)

Kryteria widoczności wierzchołka Widzialny wierzchołek gdy: Widzialny wierzchołek gdy: Dwie gammy wskazują na punkt i jest on jedyny w okolicy Dwie gammy wskazują na punkt i jest on jedyny w okolicy Dwie gammy wskazują na odległy od nich punkt i mogą być b. blisko obok inne punkty Dwie gammy wskazują na odległy od nich punkt i mogą być b. blisko obok inne punkty Istnieje przynajmniej na jednym widoku gruby punkt (przynajmniej dwa druty) i widać jedną kaskadę wskazującą na ten punkt; w okolicy nie ma żadnych innych punktów. Istnieje przynajmniej na jednym widoku gruby punkt (przynajmniej dwa druty) i widać jedną kaskadę wskazującą na ten punkt; w okolicy nie ma żadnych innych punktów.

Widzialność w próbce testowej Czerwony histogram pokazuje protony z przypadków, które nie dają się zidentyfikować jako pizera Czerwony histogram pokazuje protony z przypadków, które nie dają się zidentyfikować jako pizera Widać, że wiele niskoenergetycznych protonów jest tak naprawdę widzialnych, co umożliwia identyfikację przypadków z produkcją pizer Widać, że wiele niskoenergetycznych protonów jest tak naprawdę widzialnych, co umożliwia identyfikację przypadków z produkcją pizer Black – all, red – invisible GeV/c

Podsumowanie Analiza trwa Analiza trwa Co trzeba poprawić: Co trzeba poprawić: Trzeba wziąć pod uwagę szumy elektroniki Trzeba wziąć pod uwagę szumy elektroniki Więcej przypadków, dokładniejszy skanning Więcej przypadków, dokładniejszy skanning Potrzebna niezależna analiza dla przypadków, w których widać dwie kaskady wskazujące na jeden punkt Potrzebna niezależna analiza dla przypadków, w których widać dwie kaskady wskazujące na jeden punkt Potrzebna symulacja także przypadków elektronowych Potrzebna symulacja także przypadków elektronowych Jeśli złożymy wyniki analizy dE/dx z moimi dla wariantu konserwatywnego, dostaniemy 2.6% (piony o energii 0.25GeV) pionów źle rozpoznanych Jeśli złożymy wyniki analizy dE/dx z moimi dla wariantu konserwatywnego, dostaniemy 2.6% (piony o energii 0.25GeV) pionów źle rozpoznanych Ostateczny rezultat powinien uwzględniać wszystkie trzy metody separacji e / π 0 Ostateczny rezultat powinien uwzględniać wszystkie trzy metody separacji e / π 0

Backup

Oscylacje – 3 zapachy Zauważmy, że Δ m 2 sol << Δ m 2 atm, dla trzech zapachów są więc dwie możliwości: Zauważmy, że Δ m 2 sol << Δ m 2 atm, dla trzech zapachów są więc dwie możliwości: Δ m 2 sol Δ m 2 atm Δ m 2 sol Δ m 2 atm normalna odwrócona

Produkcja wiązki Tło pochodzi z rozpadów mionów i kaonów: Monitor mionowy kontroluje kierunek wiązki poprzez rejestrację wysokoenergetycznych mionów (które nie zdążyły się rozpaść ani nie zostały zaabsorbowane)

Wiązka pozaosiowa (off-axis) ν μ π CMS π ν θ LAB Kirk T. McDonald An Off-Axis Neutrino Beam, 2001.

Czy tylko bliski detektor? Problem: inny profil wiązki w bliskim detektorze! Trudniej oszacować właściwości wiązki w SK Detektor pośredni? Detektor pośredni?

Bliski detektor Cele: Część osiowa Kontrola pozycji wiązki Część pozaosiowa Pomiar profili energ. strumieni ν e i v μ Pomiar wkładów od różnych procesów będących tłem Tracker scyntylacyjny o wysokiej rozdzielczości (SciBar)? F. Sanchez, NuInt 04

Badanie pojawiania się v e Wybieramy przypadki jednopierścieniowe, typu e Wybieramy przypadki jednopierścieniowe, typu e Niepewność w eliminacji tła – 10% Niepewność w eliminacji tła – 10% Czułość na sin 2 2θ=0.006 przy 90%C.L. Czułość na sin 2 2θ=0.006 przy 90%C.L. Tu szukamy oszacowania na θ 13.

The TPC works properly if ionisation electrons are able to reach the wires The TPC works properly if ionisation electrons are able to reach the wires The drift length should therefore be at least 1.5m (the distance between the cathode and the sidewalls) The drift length should therefore be at least 1.5m (the distance between the cathode and the sidewalls) The impurities of LAr must be reduced to a very low level The impurities of LAr must be reduced to a very low level The finite lifetime of electrons should also be taken into account for proper calorimetric measurement The finite lifetime of electrons should also be taken into account for proper calorimetric measurement Important parameter needed for proper calculation of the drift coordinate Important parameter needed for proper calculation of the drift coordinate Depends on the temperature of the medium and electric field applied Depends on the temperature of the medium and electric field applied Electron drift velocity Electron lifetime