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 5.01.2007
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 - 1998
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
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
Z prezentacji T. Nakaya i na konferencji NuFact06, sierpień 2006
Z prezentacji T. Nakaya i na konferencji NuFact06, sierpień 2006
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
K2K pierwszy eksperyment z długą bazą Źródła naturalne zastępują akceleratory i reaktory, mamy kontrolę nad parametrami potwierdził istnienie efektu oscylacji
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
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
Zbiera dane, planowana ok. 8-10 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 2 2 32 2θ = 23 2.74 + 0.44 0.26 = 1.00 10 0.13 3 ev W eksperymencie MINOS mamy swojego fizyka -K. Grzelak 2
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/0405172 też niezgodne z aktualnymi danymi Mini-Boone????
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 wyniki wkrótce LSND 90% 5 10 20 POT (now) LSND 90% 90% 3σ 5σ MiniBooNE ma już wystarczającą czułość. NuFac06, Aug 06 jest już dostatecznie dużo 10 10 20 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
CNGS Udział w testach i poznawaniu techniki LAr-TPC liczna grupa polska (4 miasta,dziala wspólnie)
m 2 ICARUS może dostarczyć informacji o oscylacjach w obszarze LSND z prezentacji C. Rubbi na zebraniu SPSC w pażdzierniku 2006
( C. Rubbia, SPSC Sept. 2006, CERN)
Ale dopóki niema potwierdzenia efektu LSND wróćmy do obrazu z 3 neutrinami Wyniki globalnej analizy wszystkich dostępnych danych dają ocenę parametrów mieszania (oscylacji)
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 = 0 0 0 cosθ 23 sinθ 23 0 sinθ 23 cosθ 23 cosθ 12 sinθ 12 R12= sinθ 12 cosθ 12 0 0 0 0 1 W 13 cosθ 13 = 0 sinθ 13e + iδ 0 1 0 sinθ e 0 cosθ iδ 13 13
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
Eksperymenty mierzące oscylacje wiązki neutrin obecne i planowane w najbliższej przyszłości
Detektory, techniki teraz Najbliższa przyszłość Trochę dalsza przyszłość NOVA OPERA
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
p Rura rozpadowa Super wiązki ν π µ θ Super-K 0m 140m 280m 2 km 295 km monitor mionów@ ~140m pierwszy bliski detektor @280m drugi bliski detektor @ ~2km daleki detektor @ 295km -Super-Kamiokande energia neutrin Wiązka quasi-monochromatyczna mały wkład od ν przy dużych energiach ogranicza tło pochodzące od produkcji 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.
SuperKamiokande instalacja nowych fotopowielaczy powrót do stanu przed wypadkiem byli tam nasi przedstawiciele: P. Przewłocki i P.Mijakowski
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
Bliski detektor w eksperymencie T2K
Side Range Muon Detector
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
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
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
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?
θ 23 ośmiokrotna degeneracja OY OY Nufact03 P µe µe = sin 2 2θ 2θ 13 13 x s 2 23 23 Słoneczne m 2 effekty materii Wszystko razem 2 x 2 x 2 = 8-krotna degeneracja
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 2 2 2 2GF ρeν 2 2 M = δ m ( cos2 θ) + sin 2θ 2 δ m Efekt zależy od znaku δm 2 hierarchia
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)
T2KK; Tokai-to-Kamioka-Korea układ dwóch identycznych detektorów 2gi detektor w Korei Workshop @SNU, Seoul, lipiec 13-14. 2006 Ishitsuka et et al. al. 05, 05, Kajita-HM- Nakayama-Nunokawa, to to appear
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
Wiązka szeroko-pasmowa (WB) (Diwan et al, hep-ph/0303081; ph/0303081; Diwan,, hep-ex/0407047) ex/0407047) 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
Wiązka szeroko-pasmowa cd. (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 Długość basy (odległość) nie ma dużego znaczenia Potencjalne możliwości konkurencyjne 1 MW, 5 lat ν + + 2 MW 5 lat anti-ν, 300 kt WC detektor; 3σ
BNL vs. T2KK BNL 1300 km km T2KK
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
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/0310059
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)
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)
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=100-150: 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
Podejmowanie decyzji: w zależności od fizycznego scenariusza Możliwe sytuacje po wynikach T2K i NOνA 1. θ 13 odkryte 2. kilka σ hint dla θ 13 3. 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 ~ 0.01 3. Największy osiągalny zakres θ 13 oznacza wskazanie = fabryki neutrin Strategia: szansa odkrycia dla θ 13 tak małęgo jak to możliwe
Podejmowanie decyzji: przykład 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
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