Bliskie i dalekie plany eksperymentów akceleratorowych w fizyce neutrin

Semianrium, Warszawa 25.10.2006 Bliskie i dalekie plany eksperymentów akceleratorowych w fizyce neutrin Ewa Rondio, IPJ Aktualny stan wiedzy na temat oscylacji neutrin Co się zmieniło w tej wiedzy ostatnio Plany na najbliższą przyszłość Dalsze plany Laboratorium podziemne w Polsce. marzenia, a może nie tylko

na początek..trochę historii Neutrina słoneczne - deficyt Eksperyment(ator) Reakcja % neutrin w stosunku do teorii R. Davis ν e + 37 CL 37 Ar+e - 34 % SAGE GALLEX ν e +71 Ga 71 Ge+e - 56 % Kamiokande Super-Kamiokande ν X +e - ν X +e - 47 % Błąd doświadczeń??? Błąd teorii Słońca??? Sztuczki neutrin???

Solar ν oscillation after SNO [x106/cm2/s] SNO φ CC = 1.76±0.11 φ CC = φ e SK φ ES = 2.32±0.09 φ µ,τ = 3.45±0.65 φ ES = φ e +0.154 φ µ,τ φ X = 5.21±0.66 ( 8 B neutrino flux) (φ SSM = 5.05+1.01/-0.81) SK

Neutrina atmosferyczne pierwotne promieniowanie kosmiczne p, He... atmosfera obszar produkcji 10~30km π ±, K ± μ ± ν µ e ± ν µ ν e Powinniśmy obserwować 2 razy więcej ν µ niż ν e Liczymy stosunek liczby mionów do liczby elektronów dla danych i oczekiwań Wynik doświadczenia: liczba ν µ jest mniejsza niż oczekiwana dla wszystkich precyzyjnych pomiarów Dlaczego?

Rozkłady kąta zenitalnego przebyta droga 10~30km ν ν p, He... ν przebyta droga up to 13000km p, He... Wynik doświadczenia: liczba ν µ spada wraz ze wzrostem długości ich podróży przez Ziemię. Dlaczego?

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

skład propagującego się stanu zmienia się z L gdzie L jest odległością źródło punkt detekcji Dlatego jeśli zaczynamy ze stanem α (określona mieszanka 1 i 2) to po drodze L mamy inna mieszankę, czyli możemy zarejestrować neutrino α lub β: 2 2 2 1.27 ml α β = sin 2 sin Eν ( ) P ν ν θ where m parametry oscylacji = m m 2 2 2 1 2 m masa (in ev) θ kąt mieszania Parametry doświadczalne: energia neutrina odległość L 2 1.27 ml L sin sin( ) E = π ν Losc 2.5E ν długość Losc = 2 m oscylacji

ν oscillation has been seen! SK SK K2K K2K KamLAND MINOS

Masy neutrin stan wiedzy zwykła hierarchia odwrócona hierarchia 2 U ei 2 U µi U τi 2 Zmierzone różnice mas: 2 3 2 m23 = (1.9 3.0) 10 ev @ 90% c.l. 2 5 2 m 21 =+ 7.9 ± 0.6 10 ev Stan na dziś aktualny jeśli MiniBoone nie zaobserwuje efektu

What about LSND observations or Is there a 4-th light neutrino a sterile ν? ν µ ν e significantly coupled with active A global analysis of all atmosph., solar, accelerator and reactor data by: SND sol very weakly coupled with active excluded at 5.1 σ M. Maltoni et al, hep-ph/0405172 Mini-Boone results? LSND atm also inconsistent with existing data

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

MiniBoone results soon 10 10 20 POT (Proposal) LSND 90% 90% 3σ 5σ 5 10 20 POT (now) LSND 90% 90% 3σ 5σ MiniBooNE has the sensitivity now. NuFac06, Aug 06 At the current time have enough sensitivity to answer, Plan is to open the box when analysis is ready Current estimate result 2-3 weeks after opening box This leads to the question of the next step. If MiniBooNE sees no indications of oscillations with ν Need to run with ν µ µ since LSND signal was ν µ ν If MiniBooNE sees an oscillation signal Then (stay tuned). e

Parametryzacja macierzy mieszania iα1 /2 νe e ν 1 iα 2 /2 νµ = U e ν2 ν ν τ 3 cc sc se i δ 12 13 12 13 13 iδ 12 23 12 23 13 12 23 12 23 13 23 13 iδ iδ 12 23 12 23 13 12 23 12 23 13 23 13 U= s c c s s c c s s s e s c s s c c s e c s s c s e c c mamy conajmniej 4 niezależne parametry: c α - fazy Majorany = cosθ s = sin θ ij ij ij ij θ12 θ23 θ13 δ (CP violation) When CPT holds: P( ν ν ; U) = P( ν ν ; U ) α β α β *

Oscylacje neutrin efekt POZA Modelem Standartowym Jeśli neutrina maja mase: Możemy mieć stany własne masy e µ τ Różne od stanów biorących udział W ± W oddziaływaniach (słabych) e ν ν ν 1 2 3 e µ τ ν ν ν µ τ mieszanie neutrin: Ue1 Ue2 Ue3 ν 1 ν ν ν = U U U ν e µ τ µ 1 µ 2 µ 3 2 Uτ1 Uτ2 U τ3 ν 3

U Kąt mieszania Macierz mieszania neutrin c s 0 12 12 = -s c 0 12 12 0 0 1 ν 1 ν ν ν = U ν2 ν 3 ( ) e µ τ 1 0 0 c 0 s 13 13 0 c s 0 1 0 23 23 0 -s c -s 0 c 23 23 13 13 { { { 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

Maciez mieszania neutrin c s 0 1 0 0 c 0 s e i δ 12 12 13 13 s12 c12 0 = 0 c23 s23 0 1 0 iδ 0 0 1 0 s 23 c 23 s 13e 0 c13 2 o o 23 słoneczne atmosferyczne sin 2ϑ > 0.90 at 90% c.l. (37-53 ) - maksymalny? który oktant? 2 o ϑ12 = + ϑ12 = sin 2 0.82 0.07 ( 34 ) 2 o ϑ13 ϑ13 sin 2 < 0.14 at 90% c.l. ( < 10 ) - Czy jest równy zero? ϑ Pomiary: - dokładniej 23 ϑ δ 13 Disappearance: c ν CP = cosθ s = sin θ ij ij ij ij ν µ µ

Jakie są teraz cele eksperymentów badających oscylacje??? Precyzyjny pomiar parametrów atmosferycznych ( m 2 23, sin2 2θ 23 ) - pomiar znikania ν µ w funkcji energii neutrina Zrozumienie hierarchii mas neutrin, poszukiwanie efektów łamania CP - Weryfikacja brakującego ogniwa: oscylacje w ν τ - pomiar przejcia dla neutrin mionowych (dominujące) i elektronowych (sub-dominant) proporcjonalne do cos 2 θ 23 *sin 2 θ 13 Poszukiwanie neutrin sterylnych: znikanie NC, trzy m 2

Parametry oscylacji when m m >> m 13 23 12 θ 23 ν µ znikanie 4 2 2 2 L Pνµ νµ + 1 - cos θ 13 sin 2θ 23 sin 1.27 m 23 ν µ ν µ E 2 sin 2 θ µτ θ 13 ν e pojawianie się 2 2 2 2 L Pνµ ν ν e + sin θ 23 sin 2θ 13 sin 1.27 m { 13 µ νe E ν 2 sin 2θ µ e θ 23 ν τ pojawianie się Atmosferyczne Słoneczne ν common

Detektory, techniki teraz Najbliższa przyszłość Trochę dalsza przyszłość

Co dalej? era precyzyjnych pomiarów i nowych pytań Źródła naturalne zastępują akceleratory i reaktory, mamy kontrolę nad parametrami eksperymenty z długą bazą LBL Pierwszy, potwierdził istnienie efektu oscylacji pierwsze dane, 2005 2.5*10 20 pot K2K

Experiments: K2K atmospheric neutrino oscillations using Super-K as the far detector K. Kaneyuki, Friday, WG1 À Suite of near detectors to observe un-oscillated neutrinos and measure neutrino cross sections Y. Hayato, Friday, WG2 À 12 GeV p on Al target, within Al horn HARP data for π production À Peak ν energy 1.3 GeV 41.4m À Designed to confirm Super-K

K2K parametry macierzy mieszania - ograniczenie na θ 13 2 νµ νe exp = sig θ µ e BG + BG N N (, m)+n N Sygnał 1 przypadek Oczekiwane tło 2.4 przypadka

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)

Fit to Oscillation Hypothesis m 2 32 = 2.74 + 0.44 0.26 (stat + syst) 10 3 ev 2 Measurement errors are 1σ, 1 DOF Fit constrained to sin 2 (2θ) 1 sin 2 2θ 23 = 1.00 0.13 (stat Normalization = 0.98 + syst) 2 χ = nbins [ ( ei oi ) + 2oiln( oi ei )] + i= 1 nsys 2 2 2 s σ j= 1 j s j Zbiera dane, planowana ok. 8-10 razy większa statystyka

Allowed Region Fit includes penalty terms for three main systematic uncertainties Fit is constrained to physical region: sin 2 (2θ 23 ) 1 m sin 2 2 32 2θ = 23 2.74 + 0.44 0.26 = 1.00 10 0.13 3 ev 2

Zasadnicze pytanie teraz: jaki jest kąt θ 13 Główny cel eksperymentów następnej generacji: T2K wiązka Tokay bliski detektor + SuperKamiokande NOνΑ wiązka NuMi z Fermilabu daleki detektor: ciekły scyntylator

Oscillation experiments with Super Beams Intense conventional (π decays) neutrino sources (>0.5 MW) Off axis technology T2K Nova site Japan USA beam being constructed NuMi (upgraded) E ν (peak) 0.76 GeV 2.22 GeV distance 295 km 812 km Far detector Super-Kamiokande to be built of mass (FV) 22.5 kton 30 kton

p T2K Off Axis Beam π Decay Pipe θ ν Super-K 0m 140m 280m 2 km 295 km Muon monitors @ ~140m First front detector @280m Second front detector @ ~2km Far detector @ 295km -Super-Kamiokande Tunable at oscillation max Neutrino energy Quasi monochromatic beam Reduced tail at high ν energies helps to reduce background due to production 0 π

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 MW @ Hyper-Kamiok.

θ 13 Sensitivity (w/ δbg sys =10%) m 2 (ev 2 ) 10-2 90%C.L. sensitivity 0.008 x20 CHOOZ excluded sin 2 2θ 13 10-1 10-2 Sensitivity versus time δbg=20% δbg=10% δbg= 5% 10-3 10-3 T2K-I T2K-II 10-3 10-2 10-1 sin 2 2θ 13 1 10 100 Year Nakaya, Venice 2005

T2K Schedule 2004 2005 2006 2007 2008 2009 K2K T2K construction SK full rebuild PS commisionning physics run 2 2 m (ev ) 23 10-1 Three Neutrino Mixing Sensitivity to 2 sin 2ϑ 13 down to 0.006 (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 2 + 4.6 min JHF+SK, 22.5 KT, 5 YEARS 10-4 10-3 10-2 10-1 1 2 sin 2Θ 13 δ ( m δ (sin 2 23 2 ) < 1 10 ϑ 23 ) < 1% 4 ev 2

Polski udział w eksp. T2K: SMRD detector, aplikacja wspólny udział 7 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

sin 2 2θ 13 T2K and NOvA θ 13 discovered if sin 2 2θ 13 > 0.01 = beyond 2015?! Specific setups less certain than for the coming ten years GLoBES 2005 (from: FNAL Proton Driver Study)

T2K and NOvA: Status of δ CP θ 13 discovered, some hint, or no signal at all Even if θ 13 is very large and all data are combined: CP violation discovery unlikely (90% CL solid, 3σ dashed; from hep-ph/0403068) Mass hierarchy discovery 50:50 chance (in deltacp) (see, e.g., NOvA proposal, hep-ex/0503053)

What do we still want to know? Discover θ 13 (if not yet done) Establish CP violation (at high CL) Measure the mass hierarchy (at high CL) Measure θ 13 precisely, say 5% in log 10 (sin 2 2θ 13 ) Measure δ CP precisely, say 20 degrees Measure leading atm. parameters at per cent level Establish deviation from maximal mixing Verify MSW effect, constrain non-standard physics, etc. The only thing from this list which may happen early!

Eksperymenty z neutrinami akceleratorowymi nazwa akcelerator metoda detekcji odległość masa cel K2K KEK wodny det Czerenkowa 250 km 50kt ν µ oscyl. MiniBoone Fermilab ciekły scyntylator 0.5 km δm 2~ 1eV MINOS Fermilab żelazo.scyntylator 750 km 4.5kt ν µ oscyl. (NuMi) ν µ - ν e Icarus CERN TPC z ciekłym Ar 730 km 600t ν µ - ν τ Opera CERN ołów/emulsja 730 km 2 kt ν µ - ν τ ν µ - ν e Plany długofalowe: JHF do SuperKamiokande wodny det. Czer. 300 km 22.5 kton NoVa ciekły scyntylator 800 km 30 kton Bardzo długa baza, super-wiązki (Fermilab Gran Sasso, δcp CERN Fermilab????) precyzja

Superbeam; Two alternative strategies Off axis narrow-band beam Pinpoint to the 1st oscillation maximum Relatively clean background at low energies elaborated π 0 rejection algorism developed On axis wide-band beam Covers multiple oscillation maxima The issue of background becomes severer at high energies Dien Bien Phu of the BNL strategy multi-mw proton beam required

T2KK; Tokai-to-Kamioka-Korea identical two-detector complex 2nd Korean detector WS was held @SNU, Seoul, in July 13-14 Ishitsuka et et al. al. 05, 05, Kajita-HM- Nakayama-Nunokawa, to to appear

Referat Hisakazu Minakata na NuFac06 Cause of the degeneracy; easy to understand You can draw two ellipses from a point in P-Pbar space Intrinsic degeneracy Doubled by the unknown sign of m 2 4-fold degeneracy

θ 23 octant degeneracy OY OY Nufact03 Pµe= sin 2 2θ 2θ 13 13 x s 2 23 23 Solar m 2 on on Matter effect on on Altogether, 2 x 2 x 2 = 8-fold degeneracy

Sensitive to δ because energy dependence is far more dynamic in 2nd oscillation maximum

T2KK; the basic ideas Leptonic CP violation and mass hierarchy resolution highly nontrivial for conventional superbeam Try to do a reliable conservative estimate on its maximal (assuming 4MW + total 1 Mton) performance Restrict to: known background rejection technology by SK + conservative estimate of the systematic errors (5%) + identical 2 detector setting T2KK (Tokai-to-Kamioka-Korea)

T2KK; the performance Analysis method (next slide); 4yr ν + 4yr antiν, fiducial 0.27 Mton each Can resolve intrinsic and sign- m 2 degeneracies to determine mass hierarchy and uncover CP violation see the next-next slides Can resolve θ 23 octant degeneracy see the next-next-next slides T2KK in situ solves 8-fold degeneracy!

In a nutshell, 8 fold degeneracy can be resolved by T2KK because.. intrinsic degeneracy is resolved by spectrum information sign- m 2 degeneracy is solved with matter effect + 2 identical detector comparison θ 23 octant degeneracy is solved by identifying the solar oscillation effect in T2KK

T2KK: Key questions What does the 1050 km baseline help? What does it help that the detectors are identical? Correlated errors between detectors, but uncorrelated between neutrino-antineutrino channels! (3σ, m 312 =0.0025 ev 2 ) PRELIMINARY (Barger, Huber, Marfatia,, Winter, in preparation)

Broad band beam (1) (Diwan et al, hep-ph/0303081; ph/0303081; Diwan,, hep-ex/0407047) ex/0407047) Idea: Use on-axis beam for the simultaneous measurement of different oscillation maxima Probably FNAL or BNL to DUSEL (=Homestake/Henderson/ ) from FNAL: 1290/1487 km, from BNL: 2540/2770 km Challenge: Backgrounds in a WC detector Compared to NOvA upgrades: New beamline required; therefore: Different timescale?

Broad band beam (2) (New study using GLoBES: : Barger et al, hep-ph/0607177) ph/0607177) FNAL BNL CP frac. 0.75 FNAL BNL Worst case δ CP Typical δ CP Typical δ CP Best case δ CP Best case δ CP Baseline does not really matter so much Absolute performance very competitive 1 MW, 5 yr ν + + 2 MW 5yr anti-ν, 300 kt WC detector; 3σ

BNL method vs. T2KK BNL 1300 km km thin: 3σ 3σ T2KK

Beta beam vs. Neutrino factory beta beam pure ν e beam charged pion background seems tolerable e-µ separation required but no charge ID required multi-mw proton beam NOT required neutrino factory well understood combination of ν e and ν µ beam with precisely (~10-5 ) known muon energy small background (how small?) muon charge ID required multi-mw proton beam required

Neutrino factory SEE ALSO ISS TALKS Ultimate high precision instrument!? Muon decays in straight sections of storage ring Technical challenges: Target power, muon cooling, charge identification, maybe steep decay tunnels Target p π, K µ Cooling µ-accelerator µ Decays ν Wrong sign Right sign Wrong sign (from: CERN Yellow Report ) Right sign (Geer, 1997; de Rujula, Gavela, Hernandez, 1998; Cervera et al, 2000)

Beta beam vs. Superbeam vs. NuFact? Low/medium γ: Can easily compete with superbeam upgrades Higher γ: At least theoretically competitive to a neutrino factory Challenges: - Can fluxes be reached? - Compare completely optimized accelerator strategies? - Mass hierarchy measurement for small θ 13 (Fig. from Huber, Lindner, Rolinec,, Winter, 2005)

Options and representatives Superbeam upgrade Beta beam Neutrino factory Major players: NOvA upgrades Wide band beam FNAL/BNL to DUSEL T2HK/T2KK CERN SPL Performance depends on γ: γ=100-150: CERN-Frejus? γ~350: Max. at CERN? γ >> 350: Higher γ beam Parameters: Muon energy Baseline Second baseline? Detector performance Channels Specific suggestions What to compare that to? Still green-field scenario

Decision making: Simplified Do we have enough information to make a decision after T2K and NOvA? Assumptions : We have to make a decision based on this information There will be no further incremental approach to search for θ 13 (if not found) = One more experiment hypothesis We use the option with the lowest effort if two physically similar Key questions: Superbeam upgrade, beta beam, or neutrino factory? What setup within each class has the best physics performance? One more experiment?

Decision making: Physics cases Possible outcomes after T2K and NOvA 1. θ 13 discovered 2. Few σ hint for θ 13 3. θ 13 not found A possible future strategy based on that (biased): 1. Best possible setup for large θ 13 with reasonable effort = Superbeam upgrade? But which? Strategy: Max. CP fraction for discoveries for sin 2 2θ 13 > 0.04? 2. Best possible setup for intermediate θ 13 = Beta beam with γ~350? Other with better MH reach/longer L? Strategy: Max. CP fraction for discoveries for sin 2 2θ 13 ~ 0.01 3. Best possible reach in θ 13 for all performance indicators = Neutrino factory Strategy: Disoveries for θ 13 as small as possible

Decision making: Example Longer L Blue: Superbeam upgrade based upon: lower effort (3σ, m 312 =0.0022 ev 2 ) Green: Beta beam based upon: Good CPV reach, MH in most cases Red: Neutrino factory (optimized) based upon: Good θ 13 reach

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

Marzenia? A może nie tylko.. Niezależna analiza geo-mechaniczna specjalistów z kopalni i z AGH -- komora bezpieczna na gł. 700m -- dla 900m są wątpliwości, ale nie wykluczone Więc może. Pomiary naturalnego tła promieniotwórczego -pomiary na miejscu -precyzyjny pomiar pobranych próbek w laboratorium wynik: tło niskie, dobre miejsce na laboratorium do takich pomiarów Złożony wstępny projekt fundusze strukturalne

Może też będzie szansa na laboratorium podziemne w Polsce Neutrina mają przyszłość! Doświadczalne i teoretyczne badania neutrin stanowią dziś front fizyki tj. badań nad strukturą materii i jej oddziaływaniami. Neutrina mogą stanowić klucz do wielu zagadek w strukturze Wszechświata.

A teraz małymi krokami... Niezależna analiza geo-mechaniczna specjalistów z AGH (J.Ślizowski, K.Urbańczyk na ukończeniu) Pomiary naturalnego tła promieniotwórczego: zapoczątkowane przez J.Kisiela i J.Dordę z U.Śl, dokładna analiza próbek w IFJ (J.W.Mietelski, E.Tomankiewicz, S.Grabowska) Tabela 1. Wyniki stężenia substancji radioaktywnych w badanych próbkach soli z kopalni Sieroszowice. Radionuklid 1 2 3 4 [Bq/kg] 238 U 0.40±0.06 0.34±0.05 0.10±0.02 0.14±0.02 234 U 0.38±0.06 0.33±0.05 0.14±0.02 0.14±0.02 230 Th 0.29±0.05 0.34±0.06 0.10±0.03 0.19±0.03 Średnio sz. U 0.357 0.337 0.113 0.157 232 Th 0.09±0.03 0.08±0.02 0.03±0.02 0.11±0.02 235 U 0.015±0.006 0.015±0.007 <0.005 0.008±0.004 40 K nd nd nd 2.1±0.3 c.d.n. 61