Badanie oscylacji neutrin w eksperymentach akceleratorowych

Transkrypt

1 Badanie oscylacji neutrin w eksperymentach akceleratorowych Ewa Rondio, IPJ Kilka słów na temat opisu oscylacji neutrin Co się zmieniło w tej wiedzy ostatnio Plany na najbliższą przyszłość (Udział grup polskich) Dalsze plany Seminarium ZFWE, Warszawa

2 Jak można opisać propagację neutrina Amplituda Amplituda Neutrina mogą zmieniać naturę (zapach) podczas propagacji. oscylacje. A i = U i 2 m i i * e 2E αi L U βi wniosek na podstawie deficytu neutrin Atmosferycznych SuperKamiokande

3 U Kąt mieszania Macierz mieszania neutrin c s = -s c ν 1 ν ν ν = U ν2 ν 3 ( ) e µ τ c 0 s c s s c -s 0 c { { { θ 12 ~ 45 o large θ 23 ~ 45 o large θ13 ~ small częstość oscylacji 1.27 m 122 L/E Solar neutrinos 1.27 m 232 L/E Atm.. neutrinos 1.27 m 132 L/E

4 Masy neutrin stan wiedzy zwykła hierarchia odwrócona hierarchia 2 U ei 2 U µi U τi 2 Zmierzone różnice mas: m23 = ( ) 10 90% c.l m 21 =+ 7.9 ± ev

5 Z prezentacji T. Nakaya i na konferencji NuFact06, sierpień 2006

6

7 Z prezentacji T. Nakaya i na konferencji NuFact06, sierpień 2006

8 Nowości w ostatnim roku: K2K zakończenie analizy parametry mieszania 2-3 limit dla 1-3 MINOS parametry mieszania dla pierwszej dużej próbki MiniBooNE zakończenie zbierania danych z neutrinami, początek z anty-neutrinami

9 K2K pierwszy eksperyment z długą bazą Źródła naturalne zastępują akceleratory i reaktory, mamy kontrolę nad parametrami potwierdził istnienie efektu oscylacji

10 parametry macierzy mieszania najlepszy limit CHOOZ z K2K: Sygnał 1 przypadek oczekiwane tło 2.4 przypadka (praca dr.j.zalipskiej) K2K zgodne z wynikiem SK znamy 2 różnice mas nie znamy skali mas θ 12 duże, ale nie maksymalne θ 23 zgodne z maksymalnym - ograniczenie na θ 13 2 νµ νe N = N (, m)+n + N exp sig θ µ e BG BG

11 MINOS Detectors PMT+FEE Racks Scint. Modules The Near Detector The Far Detector Me Beam Veto Shield Coil Hole Beam Measures beam before oscillations Predicts Far Spectrum 1 kton 1 km from target 103 m underground 3.8 x 4.8 x 15 m 3 High rates fast electronics PMT Boxes Measures beam after oscillations 5.4 kton 735 km from target 705 m underground 8 x 8 x 30 m 3 Low rate environment Taking data since 2001 (completed in 2003)

12 Fit to Oscillation Hypothesis m 2 32 = (stat + syst) 10 3 ev 2 Measurement errors are 1σ, 1 DOF Fit constrained to sin 2 (2θ) 1 sin 2 2θ 23 = (stat Normalization = syst) 2 χ = nbins [ ( ei oi ) + 2oiln( oi ei )] + i= 1 nsys s σ j= 1 j s j Zbiera dane, planowana ok razy większa statystyka

13 Zbiera dane, planowana ok razy większa statystyka Allowed Region W ficie uwzględniono człony dla 3 głównych błędów systematycznych Fit został ograniczony do obszaru fizycznego: sin 2 (2θ 23 ) 1 m sin θ = = ev W eksperymencie MINOS mamy swojego fizyka -K. Grzelak 2

14 Ale mamy jeszcze wynik LSND obserwacja ν z m 2 µ ν e ok. 1eV czy to oznacza istnienie 4-tego lekkiego neutrina? musiałoby to być ν sterylne! significantly coupled with active LSND sol very weakly coupled with active LSND atm Łączna analiza wszystkich danych: atmosferyczne, słoneczne, akceleratorowe i reaktorowe: wykluczone na poziomie 5.1 σ M. Maltoni et al, hep-ph/ też niezgodne z aktualnymi danymi Mini-Boone????

15 MiniBooNE (2002~) (Fermilab) ν µ ν e at m 2 1eV 2 (LSND) 8 GeV proton beam (Be target) Eν~700 MeV, L~541m (L/E~0.77) Mineral Oil Cherenkov Detector 800 tons 1280 eight-inch PMT s 240 PMT for VETO. Michel e from µ decay µ candidate 611,000 ν events. π 0 candidate

16 MiniBoone wyniki wkrótce LSND 90% POT (now) LSND 90% 90% 3σ 5σ MiniBooNE ma już wystarczającą czułość. NuFac06, Aug 06 jest już dostatecznie dużo POT (Proposal) danych aby odpowiedzieć czy jest sygnał dla ν µ otwarcie pudełka sygnału 90% kiedy wszystkie selekcje gotowe 3σ obecna ocena wynik w 2-3 tyg 5σ po otwarciu pudełka Pytanie o dalsze kroki Jeśli MiniBooNE nie widzi sygnału dla oscylacji ν µ musi sprawdzić ν µ (już zbiera dane) sygnał LSND był dla ν µ ν jeśli MiniBooNE widzi sygnał mamy niespodziankę!! i zagadkę. e

17 CNGS Udział w testach i poznawaniu techniki LAr-TPC liczna grupa polska (4 miasta,dziala wspólnie)

18 m 2 ICARUS może dostarczyć informacji o oscylacjach w obszarze LSND z prezentacji C. Rubbi na zebraniu SPSC w pażdzierniku 2006

19 ( C. Rubbia, SPSC Sept. 2006, CERN)

20 Ale dopóki niema potwierdzenia efektu LSND wróćmy do obrazu z 3 neutrinami Wyniki globalnej analizy wszystkich dostępnych danych dają ocenę parametrów mieszania (oscylacji)

21 dla schematu z 3 neutrinami Zasadnicze pytanie : jaki jest kąt θ 13???? Główny cel eksperymentów następnej generacji: T2K wiązka z Tokay bliski detektor (ND280) + SuperKamiokande NOnA wiązka NuMi z Fermilabu daleki detektor: ciekły scyntylator Tylko jeśli sin 2 2θ 13 >0 mamy szanse badania efektów łamania CP w eksperymentach oscylacyjnych bo: mieszanie opisuje macierz U dana przez: U=R W 23 13R 12 R 23 1 = cosθ 23 sinθ 23 0 sinθ 23 cosθ 23 cosθ 12 sinθ 12 R12= sinθ 12 cosθ W 13 cosθ 13 = 0 sinθ 13e + iδ sinθ e 0 cosθ iδ 13 13

22 Kalendarz: 2006 MiniBooNE wiązka anty- neutrin oczekiwany wynik dla neutrin - Minos parametry oscylacji -CNGS Opera start wiązki 2007 Kanland II start -SciBooNE start 2008 Double-CHOOZ start 2009 T2K start 2011 NOνA - start przeszłość przyszłość

23 Eksperymenty mierzące oscylacje wiązki neutrin obecne i planowane w najbliższej przyszłości

24 Detektory, techniki teraz Najbliższa przyszłość Trochę dalsza przyszłość NOVA OPERA

25 Eksperymenty oscylacyjne z Super Wiązkami konwencjonalna metoda, duża intensywność (rozpady π produkowanych w oddziaływaniach proton-tarcza) Moc >0.5 MW Off axis technology T2K Nova miejsce Japan USA Wiązka w trakcie konstrukcji NuMi (upgrade) E ν (peak) 0.76 GeV 2.22 GeV Odległość 295 km 812 km Masa dalekiego Super-Kamiokande do zbudowania detektora (FV) 22.5 kton 30 kton

26 p Rura rozpadowa Super wiązki ν π µ θ Super-K 0m 140m 280m 2 km 295 km monitor mionów@ ~140m pierwszy bliski drugi bliski ~2km daleki 295km -Super-Kamiokande energia neutrin Wiązka quasi-monochromatyczna mały wkład od ν przy dużych energiach ogranicza tło pochodzące od produkcji 0 π

27 T2K (Tokai to Kamioka) J-PARC accel. PS: T2K I: 0.75 MW at 50 (40) GeV (20xK2K) 1.5 G$ (7 years)) T2K II: 4 MW 0.4 G$ beam designed for both: phase I and phase II: 4 Hyper-Kamiok.

28 SuperKamiokande instalacja nowych fotopowielaczy powrót do stanu przed wypadkiem byli tam nasi przedstawiciele: P. Przewłocki i P.Mijakowski

29

30 Polski udział w eksp. T2K: od X.2006, det. SMRD wspólny udział 6 instytucji z 4 miast, ok. 20 osób Off-Axis detector - UA1 magnet - Fine Grained Detector (FGD) - TPC - P0D - ECAL, etc On-Axis detector - Monitor beam direction - Grid layout

31 Bliski detektor w eksperymencie T2K

32 Side Range Muon Detector

33 T2K Schedule K2K T2K construction SK full rebuild PS commisionning physics run 2 2 m (ev ) Three Neutrino Mixing Sensitivity to 2 sin 2ϑ 13 down to (improved by 20x) 10-2 precision mesurement: 10-3 ν ν µ e MINOS, 10 KT-YEAR ICARUS, 2.35 KT, 5 YEARS CNGS, χ min JHF+SK, 22.5 KT, 5 YEARS sin 2Θ 13 δ ( m δ (sin ) < 1 10 ϑ 23 ) < 1% 4 ev 2

34 θ 13 Sensitivity (w/ δbg sys =10%) m 2 (ev 2 ) %C.L. sensitivity x20 CHOOZ excluded sin 2 2θ Sensitivity versus time δbg=20% δbg=10% δbg= 5% T2K-I T2K-II sin 2 2θ Year Nakaya, Venice 2005

35

36

37 Duże L daje szanse sprawdzenia hierarchii mas Czułość na θ 13 dla dwóch scenariuszy zbierania danych: tylko z neutrinami, albo pół na pół neutrina i antyneutrina

38 dalsze plany co chcemy jeszcze wiedzieć? Jedyny punkt z tej listy, który pomiar θ 13 (jeśli jeszcze nieznany) możemy poznać wcześniej! stwierdzenie łamania CP (z dużym CL) wyznaczenie hierarchi mas (z dużym CL) precyzyjny pomiar θ 13, np. 5% w log 10 (sin 2 2θ 13 ) precyzyjny pomiar δ CP, np. 20 stopni pomiar parametrów atm. z precyzja rzędu 1% stwierdzenie odstępstwa od maksymalnego mieszania sprawdzenie efektu MSW, ograniczenia dla nie-stantowej fizyki, etc. zadania dla innych doświadczeń: wyznaczenie masy czy neutrino jest cząstka Diraca czy Majorany?

39 θ 23 ośmiokrotna degeneracja OY OY Nufact03 P µe µe = sin 2 2θ 2θ x s Słoneczne m 2 effekty materii Wszystko razem 2 x 2 x 2 = 8-krotna degeneracja

40 Efekty materii modyfikują oscylacje MSW effect 2 sin 2 θ m = 2 sin 2θ 2 2 cos2 + sin 2 m ( 2E V θ ) 2 θ V = 2 G ρ ( x) F weak coupling constant local electron density GF ρeν 2 2 M = δ m ( cos2 θ) + sin 2θ 2 δ m Efekt zależy od znaku δm 2 hierarchia

41 Super-wiązki; dwie alternatywne możliwości Off axis wiązka wąskopasmowa Pomiary w 1-wszym maksimum oscylacyjnym Niewielkie tło przy niskich energiach zaawansowane algorytmy odrzucania tła od π 0 On axis wiązka szerokopasmowa Pokrycie kilku maksimów oscylacyjnych Program tła zaczyna być bardzo poważny przy dużych energiach klucz do strategii projektu BNL Potrzebna wiązka protonów dużej intensywności (multi-mw)

42 T2KK; Tokai-to-Kamioka-Korea układ dwóch identycznych detektorów 2gi detektor w Korei Seoul, lipiec Ishitsuka et et al. al. 05, 05, Kajita-HM- Nakayama-Nunokawa, to to appear

43 Degeneracja jest aż 8 krotna!!! może być rozwiązana. intrinsic degeneracy - przez informacje o widmie energetycznym sign- m 2 degeneracy przez badanie efektów materii (MSW), 2 identyczne detektory, różne drogi θ 23 octant degeneracy przez identyfikacje oscylacji słonecznych w detektorach

44 Wiązka szeroko-pasmowa (WB) (Diwan et al, hep-ph/ ; ph/ ; Diwan,, hep-ex/ ) ex/ ) Idea: wiązka on-axis szerokie widmo energii, pozwala na jednoczesny pomiar kilku różnych maksimów oscylacyjnych Prawdopodobnie FNAL albo BNL do DUSEL (=Homestake/Henderson/ ) odl. z FNAL: 1290/1487 km, z BNL: 2540/2770 km Główna trudność: kontrola tła w wodnym det.czerenkowa W porównaniu z ulepszeniem NOvA-ej: potrzebna nowa wiązka, dlatego być może inna skala czasowa

45 Wiązka szeroko-pasmowa cd. (New study using GLoBES: : Barger et al, hep-ph/ ) ph/ ) FNAL BNL CP frac FNAL BNL Worst case δ CP Typical δ CP Typical δ CP Best case δ CP Best case δ CP Długość basy (odległość) nie ma dużego znaczenia Potencjalne możliwości konkurencyjne 1 MW, 5 lat ν MW 5 lat anti-ν, 300 kt WC detektor; 3σ

46 BNL vs. T2KK BNL 1300 km km T2KK

47 Wiązki beta vs. fabryki neutrin wiązki beta czysta wiązka ν e tło od naładowanych pionów wydaje się być pod kontrolą potrzebne będzie rozróżnienie e-µ, ale nie jest potrzebne określenie ładunku nie jest potrzebna wiązka protonów o mocy kilku- MW fabryki neutrin dobrze rozumiana mieszanka ν e i ν µ, wiązka pierwotnych mionów o dobrze znanej (~10-5 ) energi małe tło (jak małe?) wymagana identyfikacja ładunku mionu potrzebna wiązka protonów o mocy kilku- MW

48 Wiązka β neutrin (BB) zasada działania β Wiązka protonów (np. Super Proton Liniac (SPL) CERN, 2mA, 2.2GeV, ~2012) 6 He 6 Li + e + ν e max ( τ ~ 0.8 s ) E 3.5 MeV 1 / 2 e ( τ 1 / 2 ~ 1.6 s ) max E e Tarcza produkcyjna (produkcja radioaktywnych jonów) (wiązka ν e ) (wiązka ν ) 18 Ne 18 Fe 6 18 Przyspieszenie i akumulacja He ( Ne ) + e e + + ν 3.2 e MeV Możliwe też inne izotopy np.. 8 B, 8 Li z dużym Q-reakcji możliwe chłodzenie jonizacyjne (C.Rubbia) 6 18 rozpad He Ne w pierścieniu rozpadów o dwóch ( ) długich sekcjach (~ 2500m każda) strumień ν e ( ν ) do detektora e P.Zucchelli PL B532 (2002) 166 J.Bouchez hep-ex/

49 Możliwy instrument wysokiej precyzji następnej generacji Rozpady mionów w prostych odcinkach ringu kumulacyjnego Technicznie trudne: moc na terczy, chłodzenie mionów, identyfikacja ładunku, być możeduże nachylenie tunelu rozpadowego ( ringu ) Tarcza p π, K µ Chłodzenie Akcelerator µ fabryki neutrin µ rozpady ν zły znak dobry znak zły znak (from: CERN Yellow Report ) dobry znak (Geer, 1997; de Rujula, Gavela, Hernandez, 1998; Cervera et al, 2000)

50 Wiązki beta vs. Super-wiązki i Fabryki ν? niskie/średnie γ: łatwo można powiązać z rozbudową super-wiązek duże γ: teoretycznie konkurencyjne do fabryk neutrin trudne zagadnienia: - Czy uda się uzyskać wystarczający strumień? - Jak się porównuje dla optymalnego wykorzystania akceleratora? - Pomiar hierarchii mas dla małych θ 13 (Fig. from Huber, Lindner, Rolinec,, Winter, 2005)

51 Projekty rozważane dla różnych opcji Superbeam upgrade Główni gracze: T2HK/T2KK NOvA upgrades Wiązka szerokopasmowa FNAL/BNL do DUSEL CERN SPL Beta beam możliwości zależą od γ: γ= : CERN-Frejus? γ~350: Max. w CERN? γ >> 350: wiązki z dużym γ Neutrino factory Parametry: Energia mionów Długość bazy Druga baza? Możliwości detektora kanały Konkretne rozwiązania Z czym porónywać? wciąż green-field scenario

52 Podejmowanie decyzji: w zależności od fizycznego scenariusza Możliwe sytuacje po wynikach T2K i NOνA 1. θ 13 odkryte 2. kilka σ hint dla θ θ 13 nie zaobserwowane Strategia na przyszłość wybrana w/g (biased): 1. najlepszego setup-u dla dużego θ 13 przy rozsądnym wysiłku = upgrade super-wiązek? Ale których? Strategia: Max. ułamek faz CP osiągalny dla sin 2 2θ 13 > 0.04? 2. najlepszy setup dla pośrednich θ 13 = wiązka beta z γ~350? dłuższe L? Strategia: Max. ułamek faz CP fraction osiągalny dla sin 2 2θ 13 ~ Największy osiągalny zakres θ 13 oznacza wskazanie = fabryki neutrin Strategia: szansa odkrycia dla θ 13 tak małęgo jak to możliwe

53 Podejmowanie decyzji: przykład Longer L Blue: Superbeam upgrade based upon: lower effort (3σ, m 312 = ev 2 ) Green: Beta beam based upon: Good CPV reach, MH in most cases Red: Neutrino factory (optimized) based upon: Good θ 13 reach

54 Dalsza perspektywa: detektory do pomiarów np. rozpadu protonu, neutrin z supernowych i dla fabryk neutrin

55 Neutrina mają przyszłość! Doświadczalne i teoretyczne badania neutrin stanowią dziś front fizyki tj. badań nad strukturą materii i jej oddziaływaniami. Grupy polskie uczestniczą w tych badaniach w dużym zespole, możemy mieć istotny wkład w zbliżające się ciekawe wyniki Wiele pytań i zagadek, potrzebny precyzyjny program eksperymentalny dostosowywany w miarę uzyskiwania nowych informacji przygotowanie do kolejnych etapów to intensywne R&D zarówno dla detektorów jak i technik akceleratorowych