Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K Paweł Przewłocki Warszawska Grupa Neutrinowa

Neutrina Obrazki z eksperymentów Icarus, MiniBoone, SuperKamiokande, KamLand, Minos

Plan na dziś Troche fizyki neutrin Jak powinien wyglądać eksperyment neutrinowy A.D. 2007? Konkrety, czyli: Eksperyment T2K Bliska stacja ND280 Detektor pozaosiowy SMRD – scyntylacyjny detektor zasięgu mionów Optymalizacja SMRD

Oscylacje 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): Stany własne masy propagują się z różną prędkością n1(t)=n1(0)exp(-iE1t) n2(t)=n2(0)exp(-iE2t)

Oscylacje neutrin - eksperymenty Eksperymenty słoneczne i reaktorowe: SK SNO Kamland Eksperymenty „atmosferyczne” K2K

Oscylacje neutrin – stan obecny ZAPACH MASA „atmosferyczne” SK, K2K, MINOS θ23 ≈ 45o |Δm223| ~ 2.5×10-3eV2 CHOOZ θ13 < 10o „słoneczne” SNO, KamLand θ12 ≈ 32o Δm212 ~ 8×10-5eV2 CO JESZCZE DO ZROBIENIA? dokładniejsze wyznaczenie parametrów oscylacji (np. q13) hierarchia mas: normalna czy odwrócona ? d – niezachowanie CP? neutrina sterylne ?

Najważniejsze pomiary w przyszłości Absolutna skala mas Niemożliwa do ustalenia w eksperymentach oscylacyjnych (->podwójny rozpad beta, rozpad trytu) Łamanie CP w sektorze neutrinowym Potrzeba dużych statystyk (w tej chwili nieosiągalnych), wiązki neutrin i antyneutrin Dokładna wartość kątów θ13 i θ23 Eksperymenty z długą bazą

Pytania: θ23 sin θ23– czy jest maksymalny? który oktant? θ23 wyznaczamy w eksperymentach typu ‘znikanie’ Jeśli θ23 inne niż 45st. mamy dwie możliwości: θ23 lub 90 - θ23 (degeneracja) Jeżeli

Pomiar θ13 (czy jest zero?) Potrzebujemy: eksperyment czuły na L/E ~300 km/GeV z udziałem reaktorowe, L~1 km ( parę MeV) znikanie L/E ~300 km/GeV akceleratorowe – „long baseline” ( rzędu GeV) pojawianie się:

Budujemy eksperyment:-) Akcelerator, tarcza grafitowa Stacja bliska p p tunel rozpadowy Stacja pośrednia Detektor daleki 0km 300 km L/E rzędu 300km/GeV Długa baza Silna wiązka L – 300km -> E koło 1GeV Duży detektor daleki Dobrze znana technika detekcji Detektory poza osią wiązki Monitorowanie wiązki Kontrola tła eksperymentalnego Dodatkowe pomiary wiązki nieoscylowanej Przekroje czynne

T2K – schemat eksperymentu Akcelerator, tarcza grafitowa Monitor mionów Stacja ND280 n tunel rozpadowy p p q SuperKamiokande Stacja 2km 0m 140m 280m 2 km 295 km ND280 off-axis N-GRID on-axis Start: 2009

T2K – gdzie to jest Kamioka Tokai

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

SuperKamiokande (det. daleki) Wodny detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys PMT Detektor działa w tej chwili niezależnie (neutrina atmosferyczne, słoneczne), działał też jako detektor daleki K2K; od 2009 będzie służył T2K. 41.4m

Rekonstrukcja SuperKamiokande Zima i wiosna 2005-06 – uzupełnianie liczby fotopowielaczy Detektor już zbiera dane.

SuperKamiokande po remoncie

Bliski detektor – stacja 280m OA1 OA2 OA3 Część osiowa Monitoring wiązki (kierunek, stabilność) Część pozaosiowa Pomiar przekrojów czynnych na węglu i wodzie, pomiar strumienia wiązki i jej profilu energetycznego, pomiary tła

ND280 (det. pozaosiowy) Magnes UA1, B = 0.2 T wzdł. x Kosz (basket) nm: 170x103 oddz./1021 p/tona ~ 1 przyp. /min./tona ne: 3.34x103 oddz./1021 p/tona ~ 1 przyp/godz./tona ND280 (det. pozaosiowy) Magnes UA1, B = 0.2 T wzdł. x det. mionów (SMRD) Kosz (basket) P0D: p0 z reakcji NC Tracker: pomiar CC 3xTPC 2xFGD ECAL FGDs: 2 x 1.2 t P0D 12 ton „fiducial” y z x

SMRD (Side Muon Range Detector) 1C: 53ton 16C: 850ton Poj. pierścień jarzma magnesu posiada szczeliny w 15 warstwach (1.7 cm grubość otworu, 5 cm grubość warstwy żelaza) W szczelinach będą umieszczone det. scyntylacyjne Otwory poziome 1.7x87x70cm, pionowe 1.7x87x90cm W ok. 1000 otworów znajdą się det. (ok. 6 warstw) 90cm Pionowo: moduły z 4 Sci (0.7x87x~20cm) Poziomo: moduły z 3 Sci (0.7x87x~20cm) 70cm

SMRD - konstrukcja modułu 870 x 170 x 7 mm Scyntylator plastikowy pokryty materiałem odbijającym światło Swiatłowód WLS (Y11 Kuraray), ~ 2.7 m dł. Odczyt światła z obu stron (SiPM-y) W sumie ~8000 kanałów odczytu (całe jarzmo)

SMRD – zadania pomiar pędu uciekających mionów poprzez pomiar ich zasięgu (pomoc w rek. En), pomoc w rekonstrukcji kierunków torów mionowych weto dla przypadków wchodzących z zewnątrz trigger dla mionów kosmicznych do kalibracji wewn. części detektora

SMRD - symulacje Oficjalna symulacja detektora ND280m (Geant4/ROOT) Rzeczywista symulacja wiązki Oddziaływania neutrin w detektorze symulowane za pomocą generatorów oddziaływań neutrin: NUANCE’a i NEUTa Cele symulacji Jaka jest optymalna konfiguracja modułów SMRD? (ilość warstw w funkcji f oraz z)? Optymalna ustawienie SMRD względem FGD? Opracowanie algorytmów rekonstrukcji energii, torów mionów Określenie poziomu tła Określenie możliwości kalibracji przy wykorzystaniu mionów kosmicznych

Optymalizacja SMRD Side Muon Range Detector – mierzy pęd mionów i ich kierunek Ważne przy badaniu oddziaływań neutrin i mionów kosmicznych (do kalibracji) Mamy 15 szczelin w które można włożyć paski scyntylacyjne Ale liczba pasków jest ograniczona (pieniądze!). Dlatego chcemy zoptymalizować ich rozmieszczenie tak, aby uzyskiwać jak najwięcej informacji o mionach.

Pozaosiowy detektor nd280 – widok z boku Pierścienie: 1 2 3 4 5 6 7 8 15 warstw POD TPC TPC TPC

I z przodu Górna część Lewa boczna część Prawa boczna część Dolna część

Co trzeba zrobić Badamy miony z oddziaływań neutrin Pomiary mionów dokonywane są głownie przez TPC – SMRD jest ważne w przypadkach, gdy TPC nie jest w stanie dokonać rekonstrukcji (np. ma niewystarczającą ilość informacji) Pytanie: jaki jest optymalny układ scyntylatorów SMRD aby najlepiej mierzyć miony, które nie są widziane przez TPC? Przyjrzyjmy się do jakich najdalej warstw scyntylatorów dochodzą miony będące przedmiotem naszego zainteresowania Narzędzia: Symulacja Geant4 dla ND280MC Oddziaływania neutrin: pliki NEUTa na wodzie (na razie)

Najdalsza warstwa w SMRD 60.000 oddziaływań neutrin w FGD Cięcie na depozycie energii w scyntylatorze – dobry sygnał to przynajmniej 0.5MeV depozytu Cięcie na długości toru w TPC – mion nie może przelecieć więcej niż 60cm w TPC (dłuższe tory są rekonstruowane w TPC i nie potrzebują żadnych dodatkowych informacji z SMRD) Definicja przypadków „QE”: Jeden mion Bez pizer Bez piplusów powyżej 200MeV energii Czasami dzielę SMRD na boczne i górne/dolne części, żeby pokazać wpływ cewki (która zainstalowana jest tylko w górnej i dolnej części kosza)

Zależność od pierścienia Wszystkie przypadki, w pierścieniach: 1,2 3,4 Nr warstwy Nr warstwy 5,6 7,8 Nr warstwy Nr warstwy

Najdalsza warstwa # Zastosowałem selekcję 60cm TPC Czerwone – boczne TPC Czarne – boczne + góra/dół W bocznych partiach więcej mionów Boczne + góra/dół Boczne All # Boczne + góra/dół Boczne Nr warstwy QE Nr warstwy

Najdalsza warstwa – dół i góra # Użyta selekcja 60cm w TPC Tylko górne/dolne części magnesu Czerwone – dolna część Czarne – górna i dolna Dużo więcej torów w dolnej części Nr warstwy

Trochę statystyki Wszystkie: procenty względem wszystkich przypadków numu CC QE: procenty względem przypadków numu CC QE Outermost over 4 Outermost over 5 Outermost over 6 Wszystkie 2.94% 2.11% 1.53% Z selekcją 60cm w TPC 1.97% 1.43% 1.02% j.w., tylko pierścienie #7 i 8 1.6% 1.19% 0.87% Outermost over 4 Outermost over 5 Outermost over 6 Wszystkie 2.16% 1.44% 0.94% Z selekcją 60cm w TPC 1.48% 1.02% 0.67% j.w., tylko pierścienie #7 i 8 1.15% 0.83% 0.55%

Coś o kalibracji Wykorzystamy miony kosmiczne do sprawdzania różnych elementów detektora w czasie, gdy nie ma oddziaływań neutrin (pomiędzy impulsami wiązki) Kalibracja: czy działa, czy daje dobry sygnał, pozycjonowanie detektorów Na początku brak ECala – tym bardziej istotna rola SMRD SMRD daje sygnał, że przeszedł mion (wymagamy koincydencji sygnałów ze scyntylatorów na przeciwległych ścianach magnesu) Częstotliwość takich sygnałów – kilka kHz Sprawdzamy, czy odpowiednie detektory w środku również dają sygnał Możemy w ten sposób testować również scyntylatory SMRD

Rozkład energii wchodzącego neutrina Czarna krzywa – wszystkie przypadki Czerwona – z cięciem na 60cm w TPC Niebieska – j.w. + dochodzące do SMRD # All # QE Energia neutrina[MeV] Energia neutrina[MeV]

Problemy z MC (dla urozmaicenia) DStream ECal FGD POD the pion the hit Pion wyprodukowany w FGD trafił do kalorymetru elektromagnetycznego. Wskutek oddziaływania 3 neutrony wyskoczyły w różnych kierunkach. Jeden wpadł do SMRD, wyprodukował proton, który spowodował zaświecenie scyntylatora. Jednak MC przyporządkowało hit pionowi!

Konkluzja – proponowane rozlokowanie modułów Wstępna propozycja, prace trwają Wstępna tabela przygotowana przez Thomasa Kuttera z LSU Baton Rouge na podstawie analizy, którą tu pokazuję, i innych

Plan na przyszłość Rozwijanie symulacji Prace nad rekonstrukcją przypadków Testowanie scyntylatorów i SiPMów Instalujemy się w 2009 w Tōkai (東海) Ja – piszę doktorat:-)

Czym będę się zajmował w tym roku W eksperymencie T2K badamy m.in. pojawianie się neutrin elektronowych Sygnatura w SuperK – pierścień elektronopodobny (e-like) Tło – pizera z oddziaływań NC rozpadające się na dwie gammy. Gdy energia jest odpowiednio duża powstaje pierścień bardzo podobny do elektronowego Potrzebne oszacowania tego tła

Czym będę się zajmował w tym roku Do szacowania tła będziemy używać bliskiego detektora pozaosiowego (P0D), a następnie ekstrapolować wyniki do SK Problem do zbadania – przypadki wielopionowe, w których jeden pion jest widoczny, a pozostałe są pod progiem na emisję światła Czerenkowa Narzędzie – generator oddz. neutrin Nuance

Dodatkowe

Nasz udział Listopad 2006 – grupy polskie (Warszawa, Wrocław, Kraków - 6 instytucji, ok. 20 osób) oficjalnym uczestnikiem T2K (stacja nd280) Nasza grupa będzie brać także udział w eksperymencie NA49-Future (NA61 – SHINE?), którego elementem będzie testowanie tarczy T2K na wiązce w CERNie w celu głębszego zrozumienia wiązki neutrin, jaką będziemy dysponować w T2K IPJ/UW Symulacje Optymalizacja rozlokowania scyntylatorów SMRD w szczelinach Opracowanie procedury testowania gotowych scyntylatorów (z wklejonym włóknem) PW Testowanie SiPMów

Oscylacje – 3 zapachy Zakładając mamy dwa przypadki: Δ m2sol << Δ m2atm , Δ m213 = Δ m223 = Δ m2atm, Δ m212 = Δ m2sol , δ=0 mamy dwa przypadki: „atmosferyczny” – małe L/E „słoneczny” – duże L/E Gdy θ13=0 (a jest na pewno małe), to… wzory redukują się do 2-zapachowych. (CHOOZ)

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)

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

Wiązka pozaosiowa (off-axis) liczba oddziaływań νμ CC OA1 OA2 νμ νe Strumień neutrin (OA2) OA3 Tło dla oddziaływań neutrin elektronowych pochodzących z oscylacji!

Badanie pojawiania się ve Tu szukamy oszacowania na θ13. Wybieramy przypadki jednopierścieniowe, typu e Niepewność w eliminacji tła – 10% Czułość na sin22θ=0.006 przy 90%C.L.

Incoming nu energy distributions Black – TPC dist cut + reaching smrd Red – at least 4 layers Blue – at least 5 layers Green – at least 6 layers All QE