Paweł Przewłocki Warszawska Grupa Neutrinowa Wrocław, 7.12.2007 Tokai2Kamioka pierwszy eksperyment nowej generacji w fizyce oscylacji neutrin the first new generation experiment in neutrino oscillation physics Paweł Przewłocki Warszawska Grupa Neutrinowa Wrocław, 7.12.2007

Plan na dziś Co chcemy zmierzyć i jak? Eksperyment T2K i jego elementy Detektory, ich cele i ograniczenia SuperKamiokande – detektor daleki Detektor ND280 w bliskiej stacji Symulacje, które używamy przy badaniach związanych z ND280

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 ?

Nowa faza w rozwoju fizyki neutrin I etap zwiększenie precyzji pomiarów Pomiar θ13 II etap Zbadanie symetrii CP w sektorze neutrinowym (potrzebny pomiar θ13) Realizacja celów – 2 podejścia Eksperymenty reaktorowe (Double Chooz – Francja, Daya Bay – Chiny) – wyznaczenie θ13 gdy odpowiednio duże Silne wiązki akceleratorowe (T2K – Japonia, Nova – USA) – niskie wartości θ13 , możliwość badania hierarchii mas (efekty materii) i CP

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:

Jak to robimy? Produkujemy wiązkę neutrin mionowych, pozwalamy im przelecieć odpowiednią drogę i szukamy neutrin elektronowych w detektorze Ale nie potrafimy wyprodukować czystej wiązki mionowej. Żeby więc badać efekty tylko oscylacji, musimy oszacować poziom zanieczyszczenia elektronowego – dodatkowy detektor przy źródle wiązki Bliski detektor możemy też użyć do oszacowań tła eksperymentalnego w dalekim detektorze

Budujemy eksperyment L/E rzędu 300km/GeV Detektory poza osią wiązki 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

To może… Kamioka Tokai

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

Tarcza i rożki magnetyczne Produkcja wiązki 110m protony Tarcza i rożki magnetyczne tunel rozpadowy monitor mionowy osłona 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)

NA61/SHINE (CERN) Rozszerzenie NA49 Badanie produkcji hadronów w zderzeniach protonów i jąder za pomocą detetora hadronowego wysokiej akceptacji w CERN SPS Cele fizyczne Fizyka silnie oddziałującej materii Dane dla eksperymentów badających fizykę neutrin i promieni kosmicznych -> Pomiary dla T2K Pomiary dla repliki tarczy T2K Pomiar przekrojów czynnych na produkcję pi i kaonów Pomiar rozkładów kątowych i rozkładów pędów Te dane będą wykorzystane w symulacji wiązki w eksperymencie T2K

NA61 – tarcza T2K Takeshi Nakadaira

Wiązka OA2 νμ νe OA2 OA3 OA1 Detektory ustawiamy poza osią wiązki – to taki trick żeby dostać ładny profil energetyczny

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

Detektory: jakie procesy dominują? CC Widmo wiązki z uwzględnieniem przekrojów czynnych Nuance 3.006, oddz. na wodzie 42% cc and 17% nc events – QE 22% cc  and 8.5% nc events – RES 5.4% cc  and 1.8% nc events – DIS And others, more exotic (diffractive, coherent, elastic on electrons)

SuperKamiokande

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.

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

SK - detekcja SuperK wykorzystuje zjawisko Czerenkowa – emisję światła przez cząstkę o prędkości większej niż prędkość światła w ośrodku (choć oczywiście nie większej niż prędkość światła w próżni:-) Cząstka naładowana świeci w wodzie, gdy jej energia jest większa niż 1.5 jej masy Dwa rodzaje pierścieni Mionowy – miony i piony naładowane Elektronowy – elektrony i gammy Pi zero rozpada się na dwie gammy – dwa pierścienie Im większa energia pizera, tym trudniej je zidentyfikować (pierścienie coraz bardziej się nakładaja) q

Rozpoznawanie cząstek po wyglądzie pierścieni

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

Rola pozaosiowego detektora Pomiar strumienia wiązki w funkcji energii i przekroje czynne Najlepiej przez łatwo rekonstruowalne zdarzenia quasi-elastyczne z wymianą prądów naładowanych Do wyznaczenia energii neutrina wystarcza nam tylko znajomość właściwości wychodzącego mionu Oto formuła dla przypadków CCQE: μ θ ν p Mion rekonstruujemy głównie przy pomocy detektorów TPC i ewentualnie SMRD Tło: przypadki nie-QE, które wygladają jak QE – emitowane np. piony mogą nie zostać zarejestrowane/zidentyfikowane w detektorze

Rola pozaosiowego detektora Oszacowanie tła dla przypadków elektronowych pochodzących z zanieczyszczenia wiązki neutrinami elektronowymi Pomiar quasi-elastycznych oddziaływań neutrin elektronowych (w detektorze obserwujemy pojedynczy elektron) w FGD+TPC oraz niezależnie w P0Dzie To zanieczyszczenie stanowi 60% tła w SuperK przy pomiarze pojawiania się neutrin elektronowych Oszacowanie tła dla przypadków elektronowych pochodzących z oddziaływań NC neutrin mionowych Pizero w SuperK może udawać elektron (co widzieliśmy przed chwilą) Pomiar produkcji pizer w oddz. NC jest jednym z głównych celów P0Da To tło to pozostałe 40% tła do nu_e appearance w SuperK gamma proton gamma

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 5 Sci Poziomo: moduły z 4 Sci 70cm

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 wewnętrznych części detektora

SMRD - symulacje Przed startem eksperymentu chcemy przewidzieć wszystkie potencjalne problemy, zrozumieć dokładnie detektor który budujemy, opracować procedury, które będą potrzebne w trakcie działania eksperymentu (kalibracja, rekonstrukcja przypadków, etc.) Do czego użyjemy symulacji (na przykładzie SMRD): 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

Elementy symulacji (dla ND280) Symulacja wiązki – jnubeam Generacja przypadków – NEUT (albo coś innego) Propagacja przez materię – ND280MC Symulacja elektroniki – elecSim Efektem symulacji mogą być takie same pliki, jakie będziemy dostawać w czasie działania eksperymentu – analiza identyczna jak dla danych Wiązka Generacja Symulacja Elektronika

jnubeam Symulacja wiązki (oddziaływania w tarczy i rozpady w rurze rozpadowej) Program generuje oddziaływania w tarczy a potem propaguje to co wyprodukował przez rożki i tunel (GEANT3) Można zmieniać konfigurację tarczy i rożków magnetycznych, wielkośc tarczy, prąd w rożkach itd. Na wyjściu: pędowe i kątowe rozkłady dla neutrin różnych zapachów w różnych detektorach i pod dowolnym kątem względem osi wiązki Simulation parameters: proton momentum->30.9(GeV/c) target -> Carbon, length 90cm  flux for nd280m off axis  coming from + decay

Generacja oddziaływań neutrin Symulacja oddziaływania neutrina z materią detektora Oddziaływanie pierwotne Przejście przez jądro (Final State Interactions) Na wejściu: profil energetyczny wiązki, typ jądra na którym zachodzi rozpraszanie Na wyjściu: lista cząstek wychodzących z jądra po oddziaływaniu (format tekstowy, HBOOK, ROOT) Popularne generatory: NEUT, NUANCE, Genie, NuWro Najnowsza wersja symulacji ładuje tylko pliki NEUTa NEUT – generator japoński, możemy tylko korzystać z wygenerowanych przez japończyków plików (dostępnych na wewnętrznych stronach WWW T2K) $ begin $ nuance 1 $ vertex 364.9 1182.0 451.9 8.48088E-15 $ track 14 359.1747 1.00000 0.00000 0.00000 -1 $ track 2112 932.0165 -0.09139 -0.62145 -0.77810 -1 $ info 2 949362 1.1322E+14 $ track 13 213.1586 -0.74165 0.52764 -0.41419 -2 $ track 2212 1078.0326 0.90217 -0.40898 -0.13723 -2 $ track 2112 926.9892 0.76626 -0.27493 -0.58074 -2 $ track 2112 926.9892 0.14364 0.98737 -0.06688 -2 $ track 2212 926.9892 -0.00831 -0.96618 -0.25774 -2 $ track 2212 926.9892 0.51338 -0.08305 0.85413 -2 $ track 22 3.5000 -0.90285 -0.42758 0.04523 -2 $ track 13 213.1586 -0.74165 0.52764 -0.41419 0 $ track 2212 949.5245 0.52107 0.80535 -0.28268 0 $ track 2112 971.3971 0.68290 -0.54224 -0.48952 0 $ track 2212 954.8700 0.92813 -0.17673 0.32764 0 $ track 2112 959.5924 0.91532 -0.38410 0.12105 0 $ track 2212 950.6053 0.77917 -0.62668 0.01275 0 $ track 22 3.5000 -0.90285 -0.42758 0.04523 0 $ end

Symulacja detektora ND280MC Pakiet oparty na GEANT4 (CERN) Zaimplementowana pełna geometria detektora Losowana jest lokalizacja wierzchołka oddziaływania neutrina i w tym miejscu symulacja ‘wpuszcza’ cząstki z listy generatora; potem propaguje je przez elementy detektora Na wyjściu: tory wysymulowanych cząstek, hity (sygnały w detektorze) spowodowane przez przechodzące cząstki (format ROOTa, odczytywalny przy użyciu specjalnych klas ND280MC) Można symulować nie tylko przypadki neutrinowe; używamy też ND280MC do symulacji mionów kosmicznych (do oszacowań związanych z kalibracją)

ND280MC Rings: 1 2 3 4 5 6 7 8 15 layers POD TPC TPC TPC

Event Display Wyświetla: Geometrię detektora Tory cząstek z symulacji (odpowiednimi kolorami) Hity, czyli sygnały w detektorze DStream ECal FGD POD

Analiza danych z ND280MC Pliki wyjściowe .root można odczytywać i analizować używając odpowiednich klas ROOTa i symulacji W pakiecie z symulacją dostajemy kilka przykładów w C++, ale dosyć kiepskich Na stronie nd280.org w sekcji SMRD jest sporo przykładów napisanych przez Piotrka, mnie, Thomasa i Alieksieja, do wykorzystania Jest tam pokazane jak odczytywać listę cząstek z symulacji i ich własności, dokładny przebieg torów cząstek, lokalizacje hitów i cząstki, które je spowodowały i mnóstwo innych

Symulacja elektroniki - elecSim Sygnałów z detektora nie mamy w stanie czystym, tylko uzyskujemy je za pomocą odpowiedniego przetwarzania elektronicznego Elektronika wprowadza szumy i ma swoje ograniczenia Dlatego mamy oddzielny moduł symulujący cały tor pomiarowy – od przejścia cząstki przez czułą część detektora aż do zarejestrowania tego zdarzenia przez elektronikę Na wyjściu: sygnał w postaci, w jakiej zostanie zapisany przez system komputerowy do późniejszych analiz (taki sam plik .root jak w wypadku ND280MC, tylko z wypełnionymi nowymi polami)

SMRD - konstrukcja modułu 870 x 170 (167) x 7 mm Scyntylator plastikowy pokryty materiałem odbijającym światło Swiatłowód WLS (Y11 Kuraray), ~ 2.7 m dł. Odczyt światła z obu stron (MPPC) W sumie ~8000 kanałów odczytu (całe jarzmo)

Przykład: elecSim dla SMRD Trip-t front-end board TFB TFB (q; t) (q; t) MPPC – multi-pixel photon counter WLS – wavelength shifter TFB TFB (q; t) (q; t) konfiguracja scyntylatora i WLS w SMRD – obecnie nie uwzględniona w elecSim

(nr impulsu; ładunek; czas) elecSim symulacja MC – hit: (depozyt energii; długość i pozycja toru) Symulacja scyntylacji i propagacji światła: lista hitów MC „truth” → lista fotonów na końcach światłowodu (nr fotonu; czas) Symulacja sensorów MPPC: lista fotonów → lista impulsów na wyjściu sensorów (uwzględnia crosstalk, afterpulsy – liczba impulsów nie jest jednoznaczna z liczbą fotonów) (nr impulsu; ładunek; czas) Symulacja układów elektronicznych (TFB): lista impulsów na wyjściu sensorów → lista hitów elektroniki (układy TFB całkują ładunek w oknach czasowych zsynchronizowanych ze spillem) odpowiedź detektora – hit: (ładunek; czas)

elecSim dark noise testy producenta sygnał LED MPPC wyjście elecSim

Podsumowanie Prace przygotowawcze nad eksperymentem trwają Liczymy na to, że po wakacjach będziemy mogli zacząć testowanie i montaż SMRD w Japonii (w tej chwili budowana konstrukcja pod ziemią, w której będzie nasz detektor) Eksperyment startuje w 2009 roku

Backup

Backup - Produkcja wiązki J-PARC – Japan Proton Accelerator Research Complex w Tokai, na wybrzeżu Pacyfiku Wiązka protonowa 50GeV 3.3*1014 protonów na puls Impuls 5μs co 3.5 sekundy Moc 0.75MW

Backup - 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.

dla SMRD wartości zależne od pozycji w 2 wymiarach Backup - elecSim Symulacja scyntylacji i propagacji światła: (model 1-wymiarowy, proste włókno WLS) Ng = Evis* PhotPerMeV * Attenuation( path_length ) Evis = energy_deposit / ( 1 + BirksConstant * dE/dx ) dE/dx = energy_deposit / track_length fotony skojarzone są z informacją o czasie : t = path_length / light_velocity + decayShift decayShift = -1 * fDecayTime * Log(Rnd(1)); model scyntylatora i światłowodu informacja z hitu MC dla SMRD wartości zależne od pozycji w 2 wymiarach (u nas ~7ns)