Warszawa, 04.11.2005 Jan Kisiel Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski, Katowice Perspektywy akceleratorowej fizyki neutrin Co wiemy? Czego.

Prezentacja na temat: "Warszawa, 04.11.2005 Jan Kisiel Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski, Katowice Perspektywy akceleratorowej fizyki neutrin Co wiemy? Czego."— Zapis prezentacji:

1 Warszawa, 04.11.2005 Jan Kisiel Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski, Katowice kisielj@us.edu.pl Perspektywy akceleratorowej fizyki neutrin Co wiemy? Czego chcielibyśmy się dowiedzieć? Jak to zrobić?

2 Warszawa, 04.11.2005 To co wiemy: Trzy stany zapachowe ( ) i antyneutrina Neutrina są bardzo lekkie, ale posiadają masę (przynajmniej dwa z nich), (badanie neutrin słonecznych, atmosferycznych oscylacje neutrin),, Stany zapachowe neutrin nie są tożsame ze stanami masowymi macierz mieszania z niezerowymi elementami pozadiagonalnymi Macierz mieszania (Pontecorvo, Makki, Nakagawa, Sakata) może być parametryzowana przez: 3 kąty mieszania: 1 fazę łamania symetrii CP (tzw. faza Diraca), Wartości większości parametrów macierzy mieszania zostały zmierzone w eksperymentach badających neutrina atmosferyczne ( ), słoneczne ( )

3 Warszawa, 04.11.2005 Oscylacje dwóch zapachów neutrin w próżni: w chwili mamy tylko neutrina funkcja falowa po czasie t prawdopodobieństwo tego, że po czasie t zaobserwujemy neutrina, mimo tego że w chwili t=0 były tylko neutrina ( )

4 Warszawa, 04.11.2005 nie zależy od: znaku zmiany (jedyne przybliżenie: )

5 Warszawa, 04.11.2005 E ν = 20GeV, θ = 45 0 : Δm 2 = 10 -3 10 -2 10 -1 eV 2

6 Warszawa, 04.11.2005 L = 732km, θ = 45 0 : Δm 2 = 10 -3 10 -2 10 -1 eV 2

7 Warszawa, 04.11.2005 3 kąty mieszania: (trzy kąty Eulera) 1 faza Diraca (łamanie symetrii CP dla brak łamania symetrii CP dla ) - macierz mieszania Ewolucja stanów – 3 zapachy neutrin

8 Warszawa, 04.11.2005 w materii: Równanie ewolucji stanu możemy zapisać za pomocą równania różniczkowego: Ewolucja stanów – 3 zapachy neutrin dla neutrin dla antyneutrin dla neutrin w próżni:

9 Warszawa, 04.11.2005 << „normal”„invert” Ewolucja stanów – 3 zapachy neutrin mm2 m3 m1 m m3 m2 m1

10 Warszawa, 04.11.2005 Parametry oscylacji neutrin: 3 kąty mieszania: 2 różnice kwadratów mas:, 1 faza łamania symetrii CP (faza Diraca): Wiemy, że: 1. 2. 3. z pomiarów neutrin słonecznych z eksperymentu reaktorowego CHOOZ [G.L. Fogli et al. hep-ph/0506083]

11 Warszawa, 04.11.2005 Profil gęstości materii PREM I A.M.Dziewoński, D.L.Anderson

12 Warszawa, 04.11.2005 L = 2R Ziemi : ρ = const. = 5g/cm 3 (Y e = 0.5), ρ / Y e = PREM I

13 Warszawa, 04.11.2005 L = 2R Ziemi : ρ = const. = 5g/cm 3 (Y e = 0.5), ρ / Y e = PREM I

14 Warszawa, 04.11.2005 [hep-ph/0202058] [PDG’2004] Macierz mieszania neutrin vs macierz mieszania kwarków (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa)

15 Warszawa, 04.11.2005 dla kwarków stany własne masy są „prawie” tożsame ze stanami zapachowymi (w I-szym przybliżeniu) dla neutrin nawet w pierwszym przybliżeniu „mieszanie” w sektorze kwarków jest różne od „mieszania” w sektorze leptonów jest znana z dużo większą precyzją niż

16 Warszawa, 04.11.2005 Oscylacje neutrin – czego nie wiemy: Jaki schemat masowy jest realizowany w przyrodzie? Czy jest łamanie symetrii CP? Jaka jest wartość kąta mieszania ? Ponadto: duża niepewność parametrów oscylacji.

17 Warszawa, 04.11.2005 2 schematy masowe dla neutrin „normalny”„odwrócony” (atmosferyczne) (słoneczne) („udziały” kolorów z ) (A. Para – Piaski’2005) Znak nie jest znany nie wiemy, który ze schematów masowych jest realizowany w przyrodzie. schemat masowy „normalny” schemat masowy „odwrócony”

18 Warszawa, 04.11.2005 1 10  2  3  1  2sin 2 3 10  2  1  99% CL 90% CL Oscylacje neutrin: Dwa rodzaje exp. z użyciem wiązki neutrin z akceleratora ZNIKANIE (disappearance)POJAWIANIE SIĘ (appearance)   ?   źródłoDetektor ‘bliski’ Detektor ‘daleki’  ?   Detektor  źródło Porównanie z: Wymagania: -precyzyjny pomiar strumienia -2 detektory neutrin WYNIK Wymagania: -znajomość ilości w wiązce -tło ---> niewielka ilość Pomiar strumienia na długości L  Pomiar rzadkich przypadków

19 Warszawa, 04.11.2005 Wiązka neutrin CERN - Gran Sasso (CNGS) 400GeV SPS 19 105.4  19 106.7  Protonów w tarczy / rok (200 dni); zwykłe warunki (podział wiązki z LHC) Protonów w tarczy / rok (200 dni); ‘najlepsze’ warunki dla przypadków w Gran Sasso = 1.37km )(XNCC    

20 Warszawa, 04.11.2005 Akceleratorowe źródła neutrin: Superwiązka neutrin (SB) Wiązka beta neutrin (BB) Fabryka neutrin (NF)

21 Warszawa, 04.11.2005 Neutrina z superwiązki neutrin (SB) produkcja identyczna jak w konwencjonalnej wiązce neutrin, ale z bardziej intensywną (moc ~ MeV) wiązką protonów ~0.5% (z rozpadów ~5%) w wiązce problem dla badania możliwość tzw. off-axis wiązki neutrin (detektor poza osią główną wiązki) zmniejszenie intensywności wiązki, ale znaczne zmniejszenie udziału

22 Warszawa, 04.11.2005 Wiązka neutrin (BB) – zasada działania Wiązka protonów (np. Super Proton Liniac (SPL) – CERN, 2mA, 2.2GeV, ~2012) Tarcza produkcyjna (produkcja radioaktywnych jonów) (wiązka ) Przyspieszenie i akumulacja

23 Warszawa, 04.11.2005 rozpad w pierścieniu rozpadów o dwóch długich sekcjach (~ 2500m każda) strumień do detektora produkcja jonów /s = 60 = 100 (Frejus) P.Zucchelli PL B532 (2002) 166 J.Bouchez hep-ex/0310059

24 Warszawa, 04.11.2005 Wiązka w CERN-ie hep-ex/0301059 Projekt kompleksu wiązki β w CERN-ie

25 Warszawa, 04.11.2005 hep-ex/0301059 Strumień z wiązki: /CERN w Frejus (130km) Strumień neutrin z wiązki β i superwiązki w Frejus

26 Fabryka neutrin (NF) – zasada działania (D.G.Koshkarev(1974), S.Wojcicki(1974), S.Geer - PR D57 (1998) 6989) Wiązka protonów ( GeV – różne opracowania) o intensywności MW rozpad na szybkie przyspieszenie (lub ) do magazynowanie w tzw. „ringu rozpadów” gdzie rozpadają się: (może być użyta do produkcji tzw. superwiązki neutrin) tarcza (materiał o dużym Z, np. Hg) produkcja ( produkcja, z czego ~20% daje „użyteczne”, tzn. rozpada się w prostych sekcjach pierścienia rozpadów) „podróżują” w kierunku detektorów

27 Warszawa, 04.11.2005 Wiązka neutrin z fabryki neutrin: równa liczba i (lub i ) lub strumień neutrin dobrze określony – zależy od kinematyki rozpadu - masa spoczynkowa - kąt pomiędzy pędem i kierunkiem spinu (- neutrino, + antyneutrino)

28 Warszawa, 04.11.2005 Całkowity strumień neutrin w funkcji kąta (oś wiązki – wybrany kierunek) dla 1.6x10 20 neutrin w wiązce na 1 rok Całkowity strumień neutrin w funkcji odległości od osi wiązki dla 1.6x10 20 neutrin w wiązce na 1rok Phys.Rev. D61 053004

29 Warszawa, 04.11.2005  +  e + +  + e        + Oscillate Wrong Sign muons 10 16 p/ s 3 10 20 e  yr 3 10 20   yr 0.9 10 21  yr

30 Warszawa, 04.11.2005 dla eksperymentów z długą bazą (P app ) „+” „-” G F -stała Fermiego n e -gęstość elektronów [hep-ph/0412199]

31 Warszawa, 04.11.2005 Interpretacja wyników może być niejednoznaczna P app dla eksperymentów z długą bazą: generuje korelacje między parametrami: [hep-ph/0103258] degeneruje: [hep-ph/0108085] [hep-ph/9604415] [hep-ph/0103258] (tzw. „degeneracja ośmiokrotna”) Skomplikowana zależność P app, szczególnie w materii: W eksperymencie mierzymy nie P app, ale Papp(E) strumień(E) przekrój czynny(E) wydajność detekcji(E) dE

32 Faza „1”:, precyzyjny pomiar parametrów oscylacji Eksperymenty z długą bazą Faza „0”: Potwierdzenie wyników eksperymentów z atmosferycznymi K2K, MINOS, ICARUS, OPERA (MW wiązka protonów, Mton detektor, fabryka neutrin, wiązka neutrin ) HyperKamiokande-1mln ton H 2 O, LAr TPC – 0.1 mln ton LAr T2K, NOνA, Super-AGS, SPL-Frejus Faza „2”: następna generacja eksperymentów: łamanie symetrii CP, hierarchia mas

33 Warszawa, 04.11.2005 Eksperymenty z wiązką / superwiązką i długą bazą (podsumowanie)

34 Warszawa, 04.11.2005 Faza „0” i „1”: obecnie działające lub zaawansowane w budowie: K2K MINOS ICARUS OPERA planowane do uruchomienia do 2010 roku: T2K (jedyny (!?) zatwierdzony) potwierdzenie oscylacji pomiar parametrów oscylacji

35 Warszawa, 04.11.2005 Pomiar z dużą dokładnością (o ile wyznaczony wcześniej) lub wyznaczenie nowego limitu na (1-2 rzędy) Faza „2” główne cele dla eksperymentów: SB (T2K-II,...), BB, NF (~2015) Pomiar ( - brak łamania - maksymalne łamanie) o ile Rozwiązanie zagadki hierarchii mas (schemat normalny/odwrócony)

36 Warszawa, 04.11.2005 pomiar o różnych energiach projekty 2015 rok HyperKamiokande (1Mton ) Lar TPC (0.1Mton LAr) pomiar wszystkich zapachów neutrin rozróżnienie NC/CC pomiar pędu, ładunku, (pole magnetyczne?) pomiar: ograniczenie na lub pomiar gdy znany wcześniej łamanie CP, hierarchia mas

37 Warszawa, 04.11.2005 Przewidywana obserwacja łamania symetrii CP w funkcji sin 2 2θ 13 dla eksperymentu T2K-II Eksperymenty z superwiązką (SB) – przewidywane wyniki Przewidywana obserwacja ν e w eksperymentach T2K i NOνA [T. Kobayashi]

38 Warszawa, 04.11.2005 Wiązka β (BB) - mierzone kanały, CERN-Frejus setup („golden channel”, pomiar, CC) („silver channel”, dla CERN-Frejus poniżej progu) (zależy od, ale nie zależy od ) CERN-Frejus: 2.9 10 18 6 He, 1.1 10 18 18 He na rok 10 lat pomiarów 440 kton, H 2 O Czerenkow ( 6 He) ( 18 Ne) max. dla CERN-SPS-BB

39 Warszawa, 04.11.2005 Wiązka β (BB) - przewidywane wyniki większa czułość dla większych (więcej przypadków + lepsza rekonstrukcja energetyczna przypadków) uzasadnienie dla BB gdy: >150, L>500km =350: pomiar aż do pomiar z [hep-ph/0503021]

40 Warszawa, 04.11.2005 Pomiar : wiązka /CERN - Frejus (130km) hep-ex/0301059 90% CL dla znikania (linie przerywane, różny błąd sys.) i pojawiania się (BB i SPL- SB) przy założeniu δ=0 i znak Δm 2 =+1 90% CL dla Δm 2 23 =2.5x10 -3 eV 2 i przy założeniu znaku Δm 2 =+1

41 Warszawa, 04.11.2005 (L=3000km, 50kton Fe detektor, najlepsza czułość na i, „golden channel” Fabryka neutrin (NF) – możliwe pomiary („golden channel”) (znikanie, największa czułość na parametry atmosferyczne dla L=7000km) znikanie (L=730km, 5kton detektor emulsyjny podobny do OPERY, „silver channel”) [S.Rigolin-NuFact’05]

42 Warszawa, 04.11.2005 hep-ex/0301059 Możliwość pomiaru 99% CL dla SB, SPL-BB i NF (50 GeV, 2x10 20 rozpadów mionów), linia przerywana dla znaku Δm 2 =-1 Możliwość odkrycia (na poziomie 3σ) łamania symetrii CP w funkcji sin 2 θ, linia przerywana dla znaku Δm 2 =-1

43 Warszawa, 04.11.2005 Podsumowanie: Eksperymenty z wiązkami neutrin z akceleratora (SB, BB, NF) i długą bazą mają szanse zaobserwować łamanie symetrii CP Możliwość odkrycia łamania symetrii CP dla leptonów zależy od wielkości kąta θ 13 Istotne są korelacje pomiędzy parametrami oscylacji neutrin i tzw. degeneracja ośmiokrotna

44 Warszawa, 04.11.2005 strumień neutrin w detektorze zależy od: produkcji - procesy hadronowe symulacje MC dla określenia rozkładu pędu duża niepewność możliwość produkcji

45 Warszawa, 04.11.2005  EEPzzgodneE osc     "" Przewidywana liczba przypadków ( ) w Gran Sasso na ktonę detektora na rok, dla wybranych [ p.o.t./rok ; ] 19 105.4  12sin 2  2 m    XN    Prawdopodobieństwo oscylacji   XN    dEEEEPEAR osc      osc P    A Liczba nukleonów w efektywnej objętości detektora Strumień w Gran Sasso Wydajność detekcji dla reakcji 

46 Warszawa, 04.11.2005 Będzie mowa o obecnych, przyszłych (~10 lat) i bardzo przyszłych (>10 lat) eksperymentach neutrinowych z tzw. długą bazą. neutrina akceleratorowe z: „konwencjonalnych” wiązek (CNGS) fabryki neutrin wiązki ( -beam)

47 Warszawa, 04.11.2005 Widać, że: efekty materii, skomplikowana zależność od parametrów mieszania „znakomicie” utrudnia wydobycie z eksperymentu występuje w 2 i 3 wyrazie ( podwójne tłumienie) θ 13≠