Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K

1. Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K Paweł PrzewłockiWarszawska Grupa Neutrinowa

2. Neutrina Obrazki z eksperymentów Icarus, MiniBoone, SuperKamiokande, KamLand, Minos

3. Plan na dziś • Troche fizyki neutrin • Jak powinien wyglądać eksperyment neutrinowy A.D. 2007? • Konkrety, czyli: • Eksperyment T2K • Bliska stacja ND280 • Detektor pozaosiowy • SMRD – scyntylacyjny detektor zasięgu mionów • Optymalizacja SMRD

4. Oscylacje neutrin • Jeśli neutrina mają masę, możliwa jest zmiana zapachu neutrin. • Przyjmujemy, że stany własne zapachu są pewną kombinacją stanów własnych masy (tu dla dwóch zapachów neutrin): • Stany własne masy propagują się z różną prędkościąn1(t)=n1(0)exp(-iE1t)n2(t)=n2(0)exp(-iE2t)

5. Eksperymenty słoneczne i reaktorowe: SK SNO Kamland Eksperymenty „atmosferyczne” SK K2K Oscylacje neutrin - eksperymenty

6. Oscylacje neutrin – stan obecny ZAPACH MASA „atmosferyczne” SK, K2K, MINOS θ23 ≈ 45o|Δm223|~ 2.5×10-3eV2 CHOOZ θ13 < 10o „słoneczne” SNO, KamLand θ12 ≈ 32oΔm212 ~ 8×10-5eV2 • CO JESZCZE DO ZROBIENIA? • dokładniejsze wyznaczenie parametrów oscylacji (np. q13) • hierarchia mas: normalna czy odwrócona ? • d – niezachowanie CP? • neutrina sterylne ?

7. Najważniejsze pomiary w przyszłości • Absolutna skala mas • Niemożliwa do ustalenia w eksperymentach oscylacyjnych (->podwójny rozpad beta, rozpad trytu) • Łamanie CP w sektorze neutrinowym • Potrzeba dużych statystyk (w tej chwili nieosiągalnych), wiązki neutrin i antyneutrin • Dokładna wartość kątów θ13 i θ23 • Eksperymenty z długą bazą

8. Pytania: θ23 • sin θ23– czy jest maksymalny? który oktant? • θ23 wyznaczamy w eksperymentach typu ‘znikanie’ • Jeśli θ23 inne niż 45st. mamy dwie możliwości: θ23 lub 90 - θ23 (degeneracja) Jeżeli

9. Pomiar θ13 (czy jest zero?) • Potrzebujemy: • eksperyment czuły na • L/E ~300 km/GeV • z udziałem reaktorowe, L~1 km ( parę MeV) znikanie L/E ~300 km/GeV akceleratorowe – „long baseline” ( rzędu GeV) pojawianie się:

10. L/E rzędu 300km/GeV Długa baza Silna wiązka L – 300km -> E koło 1GeV Duży detektor daleki Dobrze znana technika detekcji Detektory poza osią wiązki Monitorowanie wiązki Kontrola tła eksperymentalnego Dodatkowe pomiary wiązki nieoscylowanej Przekroje czynne Budujemy eksperyment:-) Akcelerator, tarcza grafitowa Stacja bliska p p Stacja pośrednia Detektor daleki tunel rozpadowy 0km 300 km

11. T2K – schemat eksperymentu Akcelerator, tarcza grafitowa Monitor mionów Stacja ND280 n tunel rozpadowy p p q SuperKamiokande Stacja 2km 0m 140m 280m 2 km 295 km ND280 off-axis N-GRID on-axis Start: 2009

12. T2K – gdzie to jest Kamioka Tokai

13. Wiązka pozaosiowa (off-axis) ν CMS ν θ π π LAB μ Kirk T. McDonald An Off-Axis Neutrino Beam, 2001.

14. 41.4m SuperKamiokande (det. daleki) Wodny detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys PMT Detektor działa w tej chwili niezależnie (neutrina atmosferyczne, słoneczne), działał też jako detektor daleki K2K; od 2009 będzie służył T2K.

15. Rekonstrukcja SuperKamiokande • Zima i wiosna 2005-06 – uzupełnianie liczby fotopowielaczy Detektor już zbiera dane.

16. SuperKamiokande po remoncie

17. Bliski detektor – stacja 280m • Część osiowa • Monitoring wiązki (kierunek, stabilność) • Część pozaosiowa • Pomiar przekrojów czynnych na węglu i wodzie, pomiar strumienia wiązki i jej profilu energetycznego, pomiary tła OA1 OA2 OA3

18. nm: 170x103 oddz./1021 p/tona ~ 1 przyp. /min./tona ne: 3.34x103 oddz./1021 p/tona ~ 1 przyp/godz./tona ND280 (det. pozaosiowy) • Magnes UA1,B = 0.2 T wzdł. x • det. mionów (SMRD) • Kosz (basket) • P0D:p0z reakcji NC • Tracker:pomiar CC • 3xTPC • 2xFGD • ECAL FGDs:2 x 1.2 t P0D12 ton „fiducial” y z x

19. SMRD (Side Muon Range Detector) 1C: 53ton16C: 850ton • Poj. pierścień jarzma magnesu posiada szczeliny w 15 warstwach (1.7 cm grubość otworu, 5 cm grubość warstwy żelaza) • W szczelinach będą umieszczone det. scyntylacyjne • Otwory poziome 1.7x87x70cm, pionowe 1.7x87x90cm • W ok. 1000 otworów znajdą się det. (ok. 6 warstw) 90cm • Pionowo: moduły z 4 Sci (0.7x87x~20cm) • Poziomo: moduły z 3 Sci (0.7x87x~20cm) 70cm

20. SMRD - konstrukcja modułu • 870 x 170 x 7 mm • Scyntylator plastikowy pokryty materiałem odbijającym światło • Swiatłowód WLS (Y11 Kuraray), ~ 2.7 m dł. • Odczyt światła z obu stron (SiPM-y) • W sumie ~8000 kanałów odczytu (całe jarzmo)

21. SMRD – zadania • pomiar pędu uciekających mionów poprzez pomiar ich zasięgu (pomoc w rek. En), pomoc w rekonstrukcji kierunków torów mionowych • weto dla przypadków wchodzących z zewnątrz • trigger dla mionów kosmicznych do kalibracji wewn. części detektora

22. SMRD - symulacje • Oficjalna symulacja detektora ND280m (Geant4/ROOT) • Rzeczywista symulacja wiązki • Oddziaływania neutrin w detektorze symulowane za pomocą generatorów oddziaływań neutrin: NUANCE’a i NEUTa Cele symulacji • Jaka jest optymalna konfiguracja modułów SMRD? (ilość warstw w funkcji f oraz z)? • Optymalna ustawienie SMRD względem FGD? • Opracowanie algorytmów rekonstrukcji energii, torów mionów • Określenie poziomu tła • Określenie możliwości kalibracji przy wykorzystaniu mionów kosmicznych

23. Optymalizacja SMRD • Side Muon Range Detector – mierzy pęd mionów i ich kierunek • Ważne przy badaniu oddziaływań neutrin i mionów kosmicznych (do kalibracji) • Mamy 15 szczelin w które można włożyć paski scyntylacyjne • Ale liczba pasków jest ograniczona (pieniądze!). Dlatego chcemy zoptymalizować ich rozmieszczenie tak, aby uzyskiwać jak najwięcej informacji o mionach.

24. Pozaosiowy detektor nd280 – widok z boku Pierścienie: 1 2 3 4 5 6 7 8 15 warstw POD TPC TPC TPC

25. I z przodu Górna część Lewa boczna część Prawa boczna część Dolna część

26. Co trzeba zrobić • Badamy miony z oddziaływań neutrin • Pomiary mionów dokonywane są głownie przez TPC – SMRD jest ważne w przypadkach, gdy TPC nie jest w stanie dokonać rekonstrukcji (np. ma niewystarczającą ilość informacji) • Pytanie: jaki jest optymalny układ scyntylatorów SMRD aby najlepiej mierzyć miony, które nie są widziane przez TPC? • Przyjrzyjmy się do jakich najdalej warstw scyntylatorów dochodzą miony będące przedmiotem naszego zainteresowania • Narzędzia: • Symulacja Geant4 dla ND280MC • Oddziaływania neutrin: pliki NEUTa na wodzie (na razie)

27. Najdalsza warstwa w SMRD • 60.000 oddziaływań neutrin w FGD • Cięcie na depozycie energii w scyntylatorze – dobry sygnał to przynajmniej 0.5MeV depozytu • Cięcie na długości toru w TPC – mion nie może przelecieć więcej niż 60cm w TPC (dłuższe tory są rekonstruowane w TPC i nie potrzebują żadnych dodatkowych informacji z SMRD) • Definicja przypadków „QE”: • Jeden mion • Bez pizer • Bez piplusów powyżej 200MeV energii Czasami dzielę SMRD na boczne i górne/dolne części, żeby pokazać wpływ cewki (która zainstalowana jest tylko w górnej i dolnej części kosza)

28. Zależność od pierścienia Wszystkie przypadki, w pierścieniach: 1,2 3,4 Nr warstwy Nr warstwy 5,6 7,8 Nr warstwy Nr warstwy

29. Najdalsza warstwa # Zastosowałem selekcję 60cm TPC Czerwone – boczne TPC Czarne – boczne + góra/dół W bocznych partiach więcej mionów Boczne + góra/dół Boczne All # Boczne + góra/dół Boczne Nr warstwy QE Nr warstwy

30. Najdalsza warstwa – dół i góra # Użyta selekcja 60cm w TPC Tylko górne/dolne części magnesu Czerwone – dolna część Czarne – górna i dolna Dużo więcej torów w dolnej części Nr warstwy

31. Trochę statystyki • Wszystkie: procenty względem wszystkich przypadków numu CC • QE: procenty względem przypadków numu CCQE

32. Coś o kalibracji • Wykorzystamy miony kosmiczne do sprawdzania różnych elementów detektora w czasie, gdy nie ma oddziaływań neutrin (pomiędzy impulsami wiązki) • Kalibracja: czy działa, czy daje dobry sygnał, pozycjonowanie detektorów • Na początku brak ECala – tym bardziej istotna rola SMRD • SMRD daje sygnał, że przeszedł mion (wymagamy koincydencji sygnałów ze scyntylatorów na przeciwległych ścianach magnesu) • Częstotliwość takich sygnałów – kilka kHz • Sprawdzamy, czy odpowiednie detektory w środku również dają sygnał • Możemy w ten sposób testować również scyntylatory SMRD

33. Rozkład energii wchodzącego neutrina Czarna krzywa – wszystkie przypadki Czerwona – z cięciem na 60cm w TPC Niebieska – j.w. + dochodzące do SMRD # All # QE Energia neutrina[MeV] Energia neutrina[MeV]

34. Problemy z MC (dla urozmaicenia) DStream ECal FGD POD the pion the hit Pion wyprodukowany w FGD trafił do kalorymetru elektromagnetycznego. Wskutek oddziaływania 3 neutrony wyskoczyły w różnych kierunkach. Jeden wpadł do SMRD, wyprodukował proton, który spowodował zaświecenie scyntylatora. Jednak MC przyporządkowało hit pionowi!

35. Konkluzja – proponowane rozlokowanie modułów • Wstępna propozycja, prace trwają Wstępna tabela przygotowana przez Thomasa Kuttera z LSU Baton Rouge na podstawie analizy, którą tu pokazuję, i innych

36. Plan na przyszłość • Rozwijanie symulacji • Prace nad rekonstrukcją przypadków • Testowanie scyntylatorów i SiPMów • Instalujemy się w 2009 w Tōkai (東海) • Ja – piszę doktorat:-)

37. Czym będę się zajmował w tym roku • W eksperymencie T2K badamy m.in. pojawianie się neutrin elektronowych • Sygnatura w SuperK – pierścień elektronopodobny (e-like) • Tło – pizera z oddziaływań NC rozpadające się na dwie gammy. Gdy energia jest odpowiednio duża powstaje pierścień bardzo podobny do elektronowego • Potrzebne oszacowania tego tła

38. Czym będę się zajmował w tym roku • Do szacowania tła będziemy używać bliskiego detektora pozaosiowego (P0D), a następnie ekstrapolować wyniki do SK • Problem do zbadania – przypadki wielopionowe, w których jeden pion jest widoczny, a pozostałe są pod progiem na emisję światła Czerenkowa • Narzędzie – generator oddz. neutrin Nuance

39. Dodatkowe

40. Nasz udział • Listopad 2006 – grupy polskie (Warszawa, Wrocław, Kraków - 6 instytucji, ok. 20 osób) oficjalnym uczestnikiem T2K (stacja nd280) • Nasza grupa będzie brać także udział w eksperymencie NA49-Future (NA61 – SHINE?), którego elementem będzie testowanie tarczy T2K na wiązce w CERNie w celu głębszego zrozumienia wiązki neutrin, jaką będziemy dysponować w T2K • IPJ/UW • Symulacje • Optymalizacja rozlokowania scyntylatorów SMRD w szczelinach • Opracowanie procedury testowania gotowych scyntylatorów (z wklejonym włóknem) • PW • Testowanie SiPMów

41. Oscylacje – 3 zapachy Zakładając Δ m2sol << Δ m2atm , Δ m213 = Δ m223 = Δ m2atm, Δ m212 = Δ m2sol , δ=0 mamy dwa przypadki: • „atmosferyczny” – małe L/E • „słoneczny” – duże L/E Gdy θ13=0 (a jest na pewno małe), to…wzory redukują się do 2-zapachowych. (CHOOZ)

42. Produkcja wiązki Tło pochodzi z rozpadów mionów i kaonów: Monitor mionowykontroluje kierunek wiązki poprzez rejestrację wysokoenergetycznych mionów (które nie zdążyły się rozpaść ani nie zostały zaabsorbowane)

43. Strumień neutrin (OA2) νμ νe OA1 OA2 Wiązka pozaosiowa (off-axis) liczba oddziaływań νμCC OA3 Tło dla oddziaływań neutrin elektronowych pochodzących z oscylacji!

44. Badanie pojawiania się ve Tu szukamy oszacowania na θ13. • Wybieramy przypadki jednopierścieniowe, typu e • Niepewność w eliminacji tła – 10% • Czułość na sin22θ=0.006 przy 90%C.L.

45. Incoming nu energy distributions Black – TPC dist cut + reaching smrd Red – at least 4 layers Blue – at least 5 layers Green – at least 6 layers All QE