Neutrina w NCBJ. Seminarium sprawozdawcze 2013

Transkrypt

1 Neutrina w NCBJ Seminarium sprawozdawcze 2013

2 Warszawska Grupa Neutrinowa Instytucje Ludzie Tematy a NCBJ Uniwersytet Warszawski Politechnika Warszawska szef: Ewa Rondio profesorów: 3 (Ewa Rondio, Joanna Stepaniak, Maria H. Szeptycka) adiunktów: 6 (Katarzyna Kowalik, Justyna Łagoda, Piotr Mijakowski, Paweł Przewłocki, Robert Sulej, Joanna Zalipska) doktorantów: 3 (Katarzyna Frankiewicz, Monireh Kabirnezhad, Aleksander Kiliński) szef: Danuta Kiełczewska profesorów: 1 adiunktów: 2 doktorantów: 2 szef: Krzysztof Zaremba profesorów: 2 adiunktów: 2 doktorantów: 2 T2K badanie oscylacji neutrin akceleratorowych, pomiary przekrojów czynnych na oddziaływanie neutrin SuperKamiokande poszukiwanie Ciemnej Materii ICARUS rozwój techniki detekcyjnej neutrin z wykorzystaniem ciekłego argonu NA61 pomiary produkcji hadronów w oddziaływaniu p-c na potrzeby eksperymentu T2K LAGUNA projekt europejski w ramach 7. Programu Ramowego.

3 Finansowanie T2K konsorcjum NCBJ-UW-PW-IFJ-UŚ-UWr, jednostka wiodąca: NCBJ kierownik w NCBJ: Ewa Rondio Icarus konsorcjum UŚ-NCBJ-PW, jednostka wiodąca UŚ kierownik w NCBJ: Justyna Łagoda NA61/SHINE poprzedni grant zakończony nowy: konsorcjum NCBJ-UJ, jednostka wiodąca: UJ kierownik w NCBJ: Joanna Stepaniak Laguna - LBNO projekt międzynarodowy współfinansowany w ramach 7 PR UE kierownik w NCBJ: Ewa Rondio/Paweł Przewłocki

4 Publikacje Popularyzacja Precise 3D track reconstruction algorithm for the ICARUS T600 liquid argon time projection chamber detector, Adv. High E Phys Vol (2013) Experimental search for the LSND anomaly with the ICARUS detector in the CNGS beam, J. C Vol. 73 (2013) 2345 Search for anomalies in the nu_e appearance from a nu_mu beam., Eur. Phys. J. C Vol. 73 (2013) 2599 The T2K Side Muon Range Detector (SMRD), Nucl. Instr. Meth. A Vol. 698 (2013) 135 Evidence of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam, Phys. Rev. D Vol. 88 (2013) Measurement of the inclusive NuMu charged current cross section on carbon in the near detector of the T2K experiment, Phys. Rev. D Vol. 87 (2013) The T2K Neutrino Flux Prediction, Phys. Rev. D Vol. 87 (2013) Measurement of neutrino oscillation parameters from muon neutrino disappearance with an off-axis beam,, Phys. Rev. Lett. Vol. 111 (2013) Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam., Phys. Rev. Lett. (2013), status: Wysłane do opublikowania Recent Measurements of θ 13 Mixing Angle in Neutrino Oscillation Experiments, Acta Phys. Pol. B Vol. 44 No 11 (2013) 2295 Evidence for the Appearance of Atmospheric Tau Neutrinos in Super-Kamiokande Phys. Rev. Lett. Vol. 110 (2013) Calibration of the Super-Kamiokande Detector, Nucl. Instr. Meth. A (2013) status: Wysłane do opublikowania Supernova Relic Neutrino Search with Neutron Tagging at Super- Kamiokande-IV, Phys. Rev. Lett. (2013), status: Wysłane do opublikowania Pion emission from the T2K replica target: method, results and application et al.) Nucl.Instrum.Meth. A701 (2013) Measurement of negatively charged pion spectra in inelastic p+p interactions at 20, 31, 40, 80 and 158 GeV/c arxiv: [hepex] EPJC status: Wysłane do opublikowania Measurements of production properties of K0S mesons and Λ hyperons in proton-carbon interactions at 31 GeV/c arxiv: [physics.acc-ph], Phys.Rev.C status: Wysłane do opublikowania Festiwal Nauki 2013 udział w spotkaniu weekendowym "Cząstki bliżej i bliżej" w Centrum Nauki Kopernik, praca przy stoisku Ciemna Materia prezentacja 'Super-Kamiokande: podziemny detektor neutrin w Japonii Popularyzacja w mediach obserwacja nowego kanału oscylacji neutrin w T2K nowe obserwacje w eksperymentach AMS i CDMS (Ciemna Materia) obserwacja wysokoenergetycznych neutrin kosmicznych w IceCube współpraca przy tworzeniu artykułów o fizyce neutrin w Newsweeku i Polityce Obroniony doktorat: Tomasz Palczewski (NA61) Obronione magisteria pod naszą opieką: Katarzyna Frankiewicz, Weronika Warzycha

5 Główny eksperyment: Tokai2Kamioka (T2K) Tokai2Kamioka: neutrinowy eksperyment z długą bazą Neutrina produkowane w laboratorium J-PARC w Tokai (30GeV wiązka protonowa rozprasza się na grafitowej tarczy) Bliski detektor 280m od punktu produkcji mierzy wiązkę nieprzeoscylowaną Detektor daleki Super- Kamiokande, wielki detektor Czerenkowa w kopalni Kamioka bada efekty oscylacji Głowny cel: badanie oscylacji neutrin znikanie neutrin mionowych pojawianie się neutrin elektronowych Kamioka Tokai 1.2 x protons per pulse (world record) 7 osób z NCBJ zaangażowanych w projekt zaangażowanie od 2006, zarówno przy bliskim jak i dalekim detektorze Run 1 earthquake Run 2 Run 3 Run 4 used for this analysis

6 T2K 2013: nasz wynik! µ!! e 2 ( 1.27Δm L E) P( ν e ) = sin 2θ sin θ sin / ν µ 13 Energia ~ około 1 GeV Odległość ~ 300 km p-θ Parametr oscylacji neutrin(sin 2 2θ 13 ) określany dwoma sposobami: przy użyciu rozkładu zrekonstruowanej energii neutrin przy użyciu pędu i kąta emisji elektronu E rec obserwujemy 28 oddziaływań dla sin 2 2θ 13 =0.1, sin 2 2θ 23 =1, δ=0 spodziewalibyśmy się 20.4±1.8 przypadków oczekiwane tło 4.64±0.53 przypadków

7 Pojawianie się ν e w T2K (2013) Ulepszenia w analizie 2 razy więcej danych (względem 2012) nowy algorytm rekonstrukcyjny w Super-K: lepsza redukcja tła od mezonów π 0 Pomiar inkluzywny oddziaływań CC w bliskim detektorze ulepszony przez użycie nowych kryteriów selekcji lepsze ograniczenia na niepewności systematyczne wiązki i przekrojów czynnych NH zależność od δ i hierarchii Najlepsze dopasowanie dla δ CP =0 (68% C.L.) normalna hierarchia odwrócona hierarchia 7.5σ znaczoności statystycznej o OH Odkrycie (>5σ) oscylacji neutrin w kanale appearance! 142

8 ND280 - bliski detektor T2K TPC TPC TPC FGD FGD Rola ND280: monitorowanie wiązki pomiary przekrojów czynnych pomiar energii neutrin mionowych w wiązce nieoscylowanej, oszacowanie wkładu od neutrin elektronowych Detektory FGD tarcza dla oddziaływań neutrin, identyfikacja protonów Detektory TPC identyfikacja i rekonstrukcja pędu dla mionów, protonów, naładowanych pionów i elektronów Rola ND280 w analizie oscylacyjnej: Zwiększenie precyzji oszacowania spektrum wiązki (zewnętrzne ograniczenia mamy także z eksperymentu NA61) Więzy na parametry związane z przekrojami czynnymi Wszystko to jest używane do obliczenia prognozy liczby przypadków w dalekim detektorze

9 Od Justyna Łagoda jest koordynatorem tej analizy dopasowanie w pędzie i kącie emisji mionu

10

11 Przypadki wielonukleonowe Minoo Kabirnezhad, Paweł Przewłocki Nowy postulowany kanał oddziaływań neutrin oddziaływanie z udziałem kilku nukleonów w jądrze jednocześnie możliwa produkcja wielu nukleonów w stanie końcowym istnieją wskazówki eksperymentalne (eksp. Miniboone), że taki kanał istnieje Studia symulacyjne narzędzie: symulator NuWro rozwijany przez grupę wrocławską, zawierający różne modele oddziaływań wielonukleonowych przygotowanie próbek oddziaływań wielonukleonowych dla eksperymentu rozwijanie kodu NuWro Próby selekcji takich oddziaływań w bliskim detektorze eksperymentu Oddziaływania wielonukleonowe mogą zniekształcać widmo zrekonstruowanej energii neutrina (wyglądają podobnie do CCQE): ν θ p p?

12 Rekonstrukcja pędu protonu w oparciu o aktywność wokół wierzchołka Joanna Zalipska " Cel: zrekonstruowanie pędu niskoenergetycznych protonów, zbyt krótkich, by były zrekonstruowane jako tor w oddziaływaniach CCQE i MEC " Informacja o depozycie energii w pudełkach wokół wierzchołka zrekonstruowanego toru µ " Zaprojektowanie sieci neuronowej, która z informacji o aktywności wokół wierzchołka rekonstruuje pęd protonu we współpracy z Piotrem Płońskim z Politechniki Warszawskiej Detektor scyntylacyjny FGD1 Vertex1x1 Vertex3x3 Vertex5x5 Zrekonstruowany pęd protonu Dane MC

13 Daleki detektor T2K: Super-Kamiokande Wielki wodny detektor Czerenkowa 50 kton wody, 22.5 kton objętości aaa roboczej, >11,000 fotopowielaczy na ścianach rejestruje promieniowanie Czerenkowa Wiele lat doświadczeń, bardzo dobrze znana technika detekcji, błędy systematyczne znane i rozumiane Bada również neutrina słoneczne i atmosferyczne Dobra separacja mion/elektron MC events

14 Analiza zanikania neutrin mionowych Aleksander Kiliński, Justyna Łagoda, Piotr Mijakowski Nowa perspektywiczna metoda z użyciem pędu i kąta emisji mionu Zalety: brak założeń o oddziaływaniu CCQE oraz o zerowym pędzie Fermiego nukleonu-tarczy Δχ 2 czerwony ta analiza czarny analiza oficjalna Wady: Trzeba zrobić od nowa analizę błędów systematycznych w Super-K (identyfikacja cząstek, liczenie pierścieni Czerenkowa, pomiar pędu i kąta mionu) Próbka kontrolna neutrin atmosferycznych w Super-K praca w ramach grupy T2K-SK, prawie na ukończeniu) Algorytm działa, wyniki z systematyką spodziewane wkrótce Testowanie algorytmu sin 2 2θ 23 Odtwarzanie wartości zadanej w symulacji Porównania z oficjalną analizą (bez i z błędami systematycznymi)

15 Ciemna Materia w Super-Kamiokande Analiza P.Mijakowski Poszukiwanie neutrin z anihilacji DM w Galaktyce w oparciu o dane Super-Kamiokande "" # $$,W + W %,bb,µ + µ % #...$ e / µ /& FIT sygnału i tła do danych dla różnych mas DM w oparciu o rozkłady pędowe leptonu + jego kierunku względem GC? DANE = DM + ν ATM Monte Carlo NOWOŚĆ 2013: dotychczas dane SK z lat à teraz do marzec/2013 dokładniejsza symulacja kształtu sygnału z GC (na podst. obliczeń K.Frankiewicz) rozszerzenie błędów systematycznych 2013: prezentacja na konf. Międzynarodowej EPNT13 (Marsylia) oraz Astrofizyka Cząstek w Polsce (Kraków) Trwa weryfikacja publikacji wewnątrz kolaboracji, cel Astrophysical Journal

16 Ciemna Materia w Super-Kamiokande Analiza K.Frankiewicz Praca magisterska Search for Dark Matter Particles with the Super-Kamiokande Detector, obroniona IX/2013, zgłoszona do wyróżnienia Poszukiwanie DM z Galaktyki ale inne podejście niż P.Mijakowski (możliwy cross-check wyników) Nie ma symulacji sygnału i tła, ocena tylko na podstawie danych; koncepcja obszarów ON- & OFFsource tylko anihlacja w nu,nu-bar

17 Icarus Robert Sulej Ciekłoargonowy TPC na wiązce CNGS w laboratoriach Gran Sasso, odczyt za pomocą trzech płaszczyzn drutów Praca nad rekonstrukcją torów w trzech wymiarach (przy użyciu obrazów z wielu płaszczyzn) Nowa analiza badanie anomalii LSND (hipoteza neutrin sterylnych)

18 Plany T2K Wznowienie zbierania danych w T2K wiosna 2014 (prawdopodobna wiązka antyneutrin) Dalsze zmniejszanie błędów systematycznych Selekcja oddziaływań wielonukleonowych Analiza oscylacyjna ν µ Przymiarki do włączenia się w planowane eksperymenty neutrinowe mające na celu studia nad łamaniem CP w sektorze neutrinowym (Laguna-LBNO, Hyper-K, LBNE)

19 backup

20 ! Beam contamination: µ +! e+! µ! e 4 K +! " 0 e+! e II. l l l l EXPERIMENTAL OVERVIEW AND DATA COLLECTION Proton beam hitsthe the target, produces hadrons, T2K experiment [32] is optimized to observe elecmainly pions tron neutrino appearance + in a muon + neutrino beam. We sample a beam of muon neutrinos generated at the Jµ The pions decay: PARC accelerator facility in Tokai-mura, Japan, at baselines of 280 m and 295 km from +the neutrino Beam contamination:! e+ aproduction target. The T2K neutrino beam line accepts 31 µ GeV/c e proton beam from the J-PARC accelerator complex. The Detectors positioned proton beam is delivered in 5 µs long + spills with 0 a+period off-axis to get that has been decreased fromk3.64 s to 2.56 seover the! e data-taking periods described in this paper. Each spill favorable spectrum shape consists of 8 equally spaced bunches (a significant subset Hadron production with target of the measured data was collected with 6 bunches per spill) that are 15 ns wide. The protons replica in NA61 experiment for better strike a 91.4 cm long graphite target, producing hadrons including pions and predictions of neutrino flux charged particles are focused by a kaons, and positively!! µ +" µ!! " l! P(!µ#!µ) T2K: beam 1 P(!µ#!e) components, off-axis includingtothe flux (Section IV), neutrino indetectors positioned get teraction model (Section V) and near detector and far defavorable spectrum shape tector data samples (Section VI and Section VIII respectively). The fit to near detector data, described in Section VII, is used to constrain the far detector rate and associated uncertainties. Finally, Section IX describes how the far detector νe sample is used to estimate sin2 2θ13. sin22&23 = 1.0 sin22&13 = (m32 = 2.4 ' 10-3 ev NH, $CP = 0 NH, $CP = %/2 IH, $CP = 0 IH, $CP = %/ Neutrino energy 0 1 "295km (A.U.)!µ! 3 OA 0.0 OA 2.0 OA E! (GeV) 2 3 Off-axis chosen: degrees FIG. 1: The angle muon neutrino survival2.5 probability (top) and electron neutrino appearance probabilities (middle) Data collected and analyzed at 295 km, and the unoscillated neutrino fluxes for series of three magnetic horns operating at 250 ka. The different values of the off-axis angle (OA) (bottom). pions, kaons and some muons decay in a 96 m long 1.2 xvol1014 protons The appearance probability is shown for two values of ume to produce a predominantly muon neutrino beam. per pulse (world record) the phase δcp, and for normal (NH) and inverted (IH) The remaining protons and particles which have not demass hierarchies. cayed are stopped in a beam dump. A muon monitor situated downstream of the beam dump measures the profile of muons from hadron decay and monitors the beam direction and intensity. event rates across the modules. We detect neutrinos at both near (280 m from the target) and far (295 km from the target) detectors. The far The off-axis ND280 detector is a magnetized multiearthquake detector is the Super-Kamiokande (SK) water Cherenkov purpose detector that is situated along the same didetector. The beam is aimed 2.5 (44 mrad) away from rection Run 3 Run 2 Run as 4 SK. It measures the neutrino beam compotherun target-to-sk axis to optimize the neutrino energy sition and energy spectrum prior to oscillations and is 1 spectrum for the oscillation measurements. The off-axis used to study neutrino interactions. The ND280 detecconfiguration [33 35] takes advantage of the kinematics of tor utilizes a 0.2 T magnetic field generated by the repion decays to produce a narrow band beam. The furbished UA1/NOMAD magnet and consists of a numusedangle for this analysis is chosen so that the spectrum peaks at the first oscillaber of sub-detectors: side muon range detectors (SMtion 6.63 maximum, as protons shown in Fig. 1, maximizing RDs [38]), electromagnetic calorimeters (ECALs), a π 0 We collected x 1020 on target (p.o.t.)the sosignal far in the oscillation region and minimizing feed-down backdetector (P0D [39]) and a tracking detector. The tracking Data for grounds this analysis 6.39 xneutrino 1020 p.o.t. (by April from high= energy interactions. This 12th 2013)

21 T2K: θ 23 uncertainty and reactor results ν e appearance contours depend on the value of θ 23 NH This needs to be determined more precisely by studying ν µ dissapearance P(! µ!! e ) " sin 2 2! 13 sin 2! 23 sin 2 ( 1.27#m 2 23 L / E) IH P(! µ!! µ ) " 1# sin 2 2" 23 cos 4 " 13 sin 2 ( 1.27$m 2 23 L / E) Comparison with reactor results (PDG2012): sin 2 2θ 13 =0.098±0.013 Leading terms NOTE: These are 1D contours for various value of δ cp, not 2D contours