Badanie oscylacji neutrin w eksperymencie T2K Krzysztof M. Graczyk Instytut Fizyki Teoretycznej Uniwersytet Wrocławski

Neutrinowy eksperyment tzw. długiej bazy - drugiej generacji 12 Countries Canada, France, Germany, Italy, Japan, Korea, Poland, Russia, Spain, Switzerland, UK, USA 60 Institutes, 300 Ph.D. members

Polska Grupa w T2K PL we Współpracy T2K Instytut Fizyki Jądrowej – Kraków (3) Instytut Problemów Jądrowych – Warszawa (5) Politechnika Warszawska (7) Uniwersytet Śląski (2) Uniwersytet Warszawski (2) Uniwersytet Wrocławski (3) razem 22 osoby

77 lat od hipotezy W. Pauliego -Dlaczego badać neutrina? C. Walter, NuInt07 Fizyka poza granicami modelu Standardowego!!! Jakie są masy neutrin? Jaka jest hierarchia mas? Czy symetria CP jest łamana w sektorze leptonowym? Dlaczego macierze mieszania kwarkowa i leptonowa są różne? 10-3 eV2 10-5 eV2 lub odwrotna

Oscylacje neutrin Macierz Maki-Nakagawa-Sakata (MNS) Atmosferyczne Słoneczne Mieszanina trzech stanów masowych z różnymi fazami

Oscylacje neutrin Model zakładający 3 rodziny (Wynik MiniBooNE)  6 parametrów do wyznaczenia Dwie różnicę kwadratów mas Trzy kąty Jedna faza CP (dla neutrin Diraca) Detektor Źródło

Jak wyglądają dotychczasowe parametry oscylacji Super-Kamiokande, K2K, MINOS). KamLand, oraz neutrina słoneczne CHOOZ T2K - badamy dwa kąty mieszania Łamanie CP tylko w pomiarze produktów oscylacji

Cele T2K O rząd wielkości lepszy pomiar parametrów oscylacji dla nm  nt: pomiar deficytu. 20 razy bardziej czuły pomiar oscylacji nm  ne O kolejny rząd wielkości pomiar nm  nt Szukanie łamania symetrii CP w sektorze leptonowym Dokładność pomiarów w T2K

CHOOZ

z mieszanką oddziaływań QE, RES oraz niewielki wkład DIS C. Juszczak, J.T. Nowak, J.T. Sobczyk, Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:211-216,2006 T2K Rozpraszanie na swobodnym nukleonie Oddziaływania typu: QE Produkcja pojedynczych pionów SPP Rezonansowe Nierezonansowe Koherentne nieelastyczne W T2K mamy do czynienia z mieszanką oddziaływań QE, RES oraz niewielki wkład DIS Efekty jądrowe wpływają znacząco na kinematykę przekroje czynne liczbę stanów końcowych

Jak będzie oddziaływać neutrino w T2K Oddziaływanie Charged Current Wkład aksjalny!!! Oddziaływanie Neutral Current Foton, bozon Z lub W Nukleon p N Różne teoretyczne opisy oddziaływania neutrina z jądrem

SK 295 km JHF ND 280m ND 2km Off-Axis W przyszłości

Materials and Life Science Experimental Facility Nuclear Transmutation J-PARC Facility Hadron Beam Facility Materials and Life Science Experimental Facility 50 GeV Synchrotron (0.75 MW) 500 m Nuclear Transmutation Neutrino to Kamiokande 3 GeV Synchrotron (25 Hz, 1MW) Linac (350m) J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex K. Nishikawa, Korea

JPARC Tunnel Tour From Linac 3 GeV From 3 GeV to to 3 GeV Extraction Point From 3 GeV to Materials and Life Middle of Linac Tunnel 50 GeV Tunnel Neutrino Tunnel JPARC Upstream of Linac Tunnel Tunnel Tour

Produkcja neutrin w JHF 30 GeV Synchrotron Protonowy Dla 50 GeV: 3.3x1014 ppp Repetition rate: 0.292 Hz Moc: 0.77 MW, 1021 POT (jeden rok) – 130 dni operacyjnych Komora rozpadu pionów: 130 m

Konfiguracja Off-Axis Wybrano OA 2.5o ND280

Spektrum energetyczne wiązki w SK Off-axis: OA2 W maksimum spektrum: ne/nm rzędu 0.2 % nm ne Rozpady z Kaonów

Daleki Detektor: SK 50 000 t wody Wysokość: 42 m Średnica 39 m Detektor wewnętrzny (ID) 33.8m(h), 36.2(d) 11 146 PMT Zewnętrzny detektor (OD) Około 2m od ścian ID 1 885 PMTS: zlicza cząstki wchodzące/wychodzące z ID. Całkowita masa OD i ID 22 500 t.

Dm2(eV2) CC-QE CC-nonQE NC Wszystkie nm Brak oscylacji 3,620 1,089 96 4,805 2.0x10-3 933 607 1,636 2.3x10-3 723 525 1,344 2.7x10-3 681 446 1,223 3.0x10-3 800 414 1,310 Oczekiwana liczba zdarzeń neutrin dla 3x1021 POT dla pomiaru deficytu nm dla różnych wartości Dm223 z sin22q23=1.0 i sin22q13=0.0, dla 5 lat pracy.

A. Vacheret, NuInt07

Pomiar deficytu nm Idea analogiczna jak w K2K Pomiar profilu energetycznego wiązki nm w ND Rozpraszanie QE Odtworzenie wiązki w SK na podstawie ND Porównanie z mierzoną wiązką w K2K K2K M. H. Ahn, Phys.Rev. D74 (2006) 072003 Rekonstrukcja energii na podstawie zdarzeń QE

Przewidywania dla T2K Odejmujemy tło

ND280 Pomiar i monitoring kierunku wiązki A. Vacheret, NuInt07

Bliski Detektor ND280 Pomiar strumienia neutrin w celu ustalenia strumienia w SK Pomiar spektrum energetycznego neutrin Pomiar neutrinowych przekrojów czynnych dla QE CC, non-QE, NC Ocena wkładu ne - badanie pojawiania się ne

ND280 TRACKER Magnes UA1, 0.2 T TPC (Time Projector Chamber): 3 komory do pomiaru mionów z rozpraszania typu CC, rekonstrukcja znaku, rozróżnianie mionów, pionów i elektronów FGD (Fine Grained Detectors): 2 moduły, tarczą na której będą oddziaływać neutrina PI0D: pomiar p0 z oddziaływań typu NC ECAL (Electromagnetic Calorimeter): pomiar g SMRD (Single Muon Range Detector): pomiar mionów – wewnątrz luk w magnesie.

ND280: Pomiar przekrojów czynnych Produkcja pojedynczych pionów: NC1p, CC1p  tło dla pomiaru deficytu nm NC1p0  tło dla pomiaru ne Pomiar przekrojów czynnych? Badanie oddziaływań słabych Badanie struktury nukleonu Przekroje w małym Q2 Wiązka nm 1021 POT w 1-tonowym FGD.

Przekroje czynne dla oddzialywan typu CC M.O. Wascko, NuInt05 Niższe niż się wydawało przekroje czynne! MiniBooNE Przeszacowane przekroje czynne w małym Q2?

Przekroje czynne dla oddziaływania typu NC Śladowe dane eksperymentalne Opis oddziaływania typ NC Jakie Form Faktory? Produkcja Pojedynczych Pionów w reakcjach NC Zgodność dla sektora CC nie oznacza zgodności dla sektora NC?

SPP w procesach typu NC K. M. Graczyk, NuInt07

Kilka słów na koniec Eksperyment T2K znacząco przybliży nas do prawdy o własnościach neutrin: parametry oscylacji Przekroje czynne dla oddziaływań neutrin Badanie struktury nukleonu Rok 2009: pierwsze pomiary

Plan Beam line construction started Apr. 2004 ND280 pit construction start Jul. 2007 UA1 magnet installation Apr. 2008 Completion of ND280 building Mar. 2009 Neutrino beam line commissioning Apr. 2009 ND280 Commissioning Oct. 2009