Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K

Prezentacja na temat: "Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K"— Zapis prezentacji:

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

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

3 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

4 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)

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

6 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 ?

7 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

8 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

9 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:

10 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

11 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

12 T2K – gdzie to jest Kamioka Tokai

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

14 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

15 Rekonstrukcja SuperKamiokande
Zima i wiosna – uzupełnianie liczby fotopowielaczy Detektor już zbiera dane.

16 SuperKamiokande po remoncie

17 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

18 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

19 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 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

20 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)

21 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

22 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

23 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.

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

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

26 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)

27 Najdalsza warstwa w SMRD
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)

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

29 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

30 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

31 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%

32 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

33 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]

34 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!

35 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

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

37 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

38 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

39 Dodatkowe

40 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

41 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)

42 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)

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

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

45 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.

46 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