Neutrino Beams

1. Neutrino Beams present, past and future M.G.Catanesi

2. Outlook WANF CNGS NUMI • “Traditional” Neutrino Beams ( , κ μe) • Narrow beams (NNB) • Wide Band (WNB) • Super Beams • Off-Axis • Neutrino –Factories (μ -> μe) • Beta Beams K2K Miniboone M.G.Catanesi

3. A little bit of history : CERN 1960 M.G.Catanesi

4. Layout of a “standard” neutrino beams

5. Fasci primari • Metodi di estrazione del fascio di protoni • Fast : protoni che hanno percorso una sola volta l’SPS con una durata dell’impulso (spill) di qualche μs tipico della camere a bolle • Fast/Slow : alcune centinaia di rivoluzione nell’SPS spill di qualche ms (chorus/nomad) • Slow : 105 giri spill 2s

6. NNB or WNB ? • Se non viene effettuata nessuna selezione in impulso dei secondari si parla di WNB • I fasci NNB comportano una drastica diminuzione dell’intensita’ dei neutrini prodotti. Sono da preferire solo se una selezione sull’energia dei neutrini e’ importante M.G.Catanesi

7. Il bersaglio di k2k Bersagli • In tutti I fasci neutrini il primo step e’ costituito dalla produzione di secondari (, κ ) mediante interazione del fascio primario di protoni su un bersaglio • Il bersaglio e’ costituito da un insieme di barre cilindriche di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria e’ ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress meccanici e termici dovuti all’intensita’ del fascio primario • Il materiale classicamente utilizzato e’ il berillio (wanf al cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu’ recenti utilizzano l’alluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS) • Dimensioni tipiche (Wanf 110cm , Miniboone 65 cm, k2k 60cm) M.G.Catanesi

8. HORNs: Focalizzazione delle particelle secondarie • L’horn non e’ nient’altro che una lente magnetica • Nell’horn le particelle sono deflesse da un campo magnetico radiale realizzato da 2 conduttori coassiali lungo i quali fluiscono correnti di uguale intensita’ ma di direzioni opposte • Il profilo interno dell’horn puo’ essere dedotto imponendo la condizione di emissione parallela Valori tipici al CERN-Wanf : 100KA, 65GeV , 8 gradi M.G.Catanesi

9. Horns:continua… • L’Horn e’ un magnete impulsato con il massimo in coincidenza col passaggio dei protoni • La corrente e la distanza dal bersaglio possono essere variate per ottimizzare le caratteristiche del fascio neutrino desiderato • Naturalmente invertire la polarita’ nell’horn corrisponde a selezionare particelle negative (antineutrini) M.G.Catanesi

10. CERN-WANF 1993 :esempio di ottimizzazione M.G.Catanesi

11. muon flux • Il flusso dei muoni e’ valutato usando diodi al silicio • Il segnale raccolto su ogni diodo e’ proporzionale al flusso di muoni • Fμ = Sd x (Vs – V0)/G • Speciali diodi di riferimento permettono l’intercalibrazione dei detectors • Speciali runs con emulsioni nucleari permettono lavalutazione assoluta del flusso M.G.Catanesi

12. Muon flux: continua… • Flusso su singoli diodi • Profilo laterale del flusso di muoni • Profilo bidimensionale • Dipendenza del flusso di muoni dalla posizione lungo la linea di fascio M.G.Catanesi

13. Monitoring & allineamento * • Il monitoring di un fascio neutrino e’ un elemento fondamentale per il suo funzionamento • Viene normalmente fatto verificando il centramento e l’intensita’ del fascio di protoni incidenti (BcTs et.c.) e verificando il profilo e l’intensita’ dei muoni M.G.Catanesi * The Alignment of the CERN West Area Neutrino Facility – Yellow Report – 96/06

14. Previsione del flusso di neutrini • Per conoscere il flusso di neutrini e la sua composizione e’ necessario conoscere la quantita’ e lo spettro dei secondari prodotti nel bersaglio • Per valutare questo elemento che difficilmente puo’ essere misurato in situ si utilizzano normalmente varii generatori MC M.G.Catanesi

15. Prodotti secondari: • Spesso la mancanza di dati sperimentali e le differenze nei modelli adronici utilizzati rende la previsione del flusso di neutrini all’esperimento estremamente difficile • Per evitare quella che in molti casi rappresenta una delle sorgenti principali di errore sistematico gli esperimenti neutrino si sono avvalsi di esperimenti ancillari di adroproduzione per coprire la mancanza di conoscenza sulla produzione di secondari M.G.Catanesi

16. Esperimenti di adroproduzione M.G.Catanesi

17. Alcune considerazioni generali……... • Il fascio neutrino per la sua complessita’ e interdipendenza e’ sempre stato considerato parte integrante degli esperimenti. • Se il fascio e’ parte dell’esperimento anche la sua calibrazione e caratterizzazione naturalmente lo e’ • Anche per questo motivo negli ultimi tempi si e’ assistito a un interesse diretto degli esperimenti neutrino nelle misure di adroproduzione e non solo • Infatti la comunita’ e’ sempre particolarmente attiva nello sviluppo di idee per i nuovi fasci neutrino del futuro in sinergia con i gruppi di fisica degli acceleratori M.G.Catanesi

18. MINOS (Fermilab to Minnesota) L = 730 km • NuMI has 400kW • primary proton beam • 120 GeV • 8.67 msec spill • 1.9 sec rep rate (12 km) • Beam Axis 3.32o into the ground at FNAL, exits at Canadian border. • 2o off-axis in southern Canada or northern Wisconsin (L = 530 – 950 km)

19. Numi Target Hall Alternate Horn Positions (eg: for off-axis exp’t) Beamline Component Positioning Modules Two Types of Magnetic Focusing Horns Pion Production Target (plus readout of target, vacuum pump) Baffle to protect horn from beam accidents Target Hall Radiation Shielding Radioactivated component work cell

20. Minos Horn 1 Prototype

21. Fasci tradizionali di bassa energia:Il fascio neutrino di k2k M.G.Catanesi

22. 2.0 1.5 2.5 0 0.5 1.0 Flusso atteso di neutrini per k2k To be measured by HARP oscillation peak K2K far/near ratio Beam MC confirmed by Pion Monitor Beam MC M.G.Catanesi

23. Il complesso del Fermilab

24. Fasci tradizionali di bassa energia:Miniboone at FNAL M.G.Catanesi

25. M.G.Catanesi

26. Super Beams Fasci Tradizionali ma ad alta intensita’ • JHF (1MW ) (Minos-Off-Axis) • Non richiedono upgrade tecnologici sostanziali per bersagli e horns • SPL (4MW) • Primo step della neutrino factory richiede upgrade tencnologici importanti M.G.Catanesi

27. JHF Overview nm beam of ~1GeV Kamioka Super-K: 50 kton Water Cherenkov JAERI (Tokai-mura) 0.75 MW 50 GeV PS ~Mt “Hyper Kamiokande” 4MW 50GeV PS 1st Phase 2nd Phase • nm→ nx disappearance • nm→ neappearance • NC measurement • CPV • proton decay

28. JHF Complex

29. Off Axis Beam (another NBB option) Far Det. q Decay Pipe Horns Target (ref.: BNL-E889 Proposal) WBB w/ intentionally misaligned beam line from det. axis Decay Kinematics • Quasi Monochromatic Beam • x2~3 intense than NBB

30. Expected spectrum at JHF Osc. Prob.=sin2(1.27Dm2L/En) Dm2=3x10-3eV2 L=295km nm osc.max. OA1° OA2° OA3° ~4500 tot int/22.5kt/yr ~3000 CC int/22.5kt/yr

31. NBB vs Off-Axis Extremely High rad. Environment! Bending 2Tx4.5m (1.8Tx5m) NBB 3° 1° Kamioka Target/horn 2° horn Side View OA2deg M.G.Catanesi

32. Detectors Neutrino spectra at diff. dist 1.5km 295km 0.28km • Muon monitors @ ~140m • Behind the beam dump • Fast (spill-by-spill) monitoring of beam direction/intensity • First Front detector “Neutrino monitor” @280m • Neutrino intensity/direction • Study of neutrino interactions • Second Front Detector @ ~2km • Almost same En spectrum as for SK • Absolute neutrino spectrum • Precise estimation of background • Far detector @ 295km • Super-Kamiokande (50kt) • Hyper-Kamiokande (~1Mt) M.G.Catanesi

33. Off-Axis case for Existing NuMI NuMI ME Beam NuMI LE Beam figures courtesy M.Messier • Plots assume current neutrino target, horns. • Variable energy beam can help move peaks dynamically • Antineutrino running takes factor 3 hit in rate

34. Neutrino Factory CERN layout Harp Data 1016p/s 1.2 1014 m/s =1.2 1021 m/yr _ 0.9 1021 m/yr m+ e+ne nm 3 1020 ne/yr 3 1020 nm/yr oscillates ne nm interacts givingm- WRONG SIGN MUON interacts giving m+

35. SPL 300 MeV Neutrinos small contamination from e (no K at 2 GeV) HIPPI M.G.Catanesi

36. The Alternative CERN RCS Scenario for the 4 MW NF Proton Driver M.G.Catanesi

37. CERN reference scenario • In order to produce 1021 neutrinos/year proton beams with a power of 1-4 MW needs to interact with a high Z target. • Proton energy 2.2 GeV. • Repetition rate 50 Hz • Pulse duration 3.3 ms. • Pulse intensity 1.5 1014/pulse • Average beam power 4 MW • Target absorbed power 1 MW • Liquid Hg-jet target Diam. 10 mm • Pion collection by means of a magnetic horn.

38. The Target: The liquid Hg option M.G.Catanesi

40. Water-cooled granular target Ta-Spheres, r = 16.8 g/cm R = 1mm Packing density ~60% (~140 spheres/cm3) R = 10g/cm3 Small spheres good for cooling: surface/volume~1.R Water cooling:v = 6m/s through 20% of cross-section V = 11l/s DT =18K (20% of 4MW, S. Gilardoni) DT =36K DP =4-5 Bar Re ~ 104 M.G.Catanesi

45. La proposta americana: solenoide da 20T M.G.Catanesi

46. Neutrino Factory Muon Cooling M.G.Catanesi

47. M.G.Catanesi

49. Esperimento recentemente approvato al RAL

50. 10% cooling of 200 MeV muons requires ~ 20 MV of RF single particle measurements => measurement precision can be as good as D ( e out/e in ) = 10-3 SC Solenoids; Spectrometer, focus pair, compensation coil Liquid H2 absorbers TPG TPG 201 MHz RFcavities Tracking devices: Measurement of momentum angles and position Tracking devices T.O.F. III Precise timing T.O.F. I & II Pion /muon ID and precise timing Electron ID Eliminate muons that decay