Badania tła do sygnału oscylacji poszukiwanego w eksperymencie T2K

1. Badania tła do sygnału oscylacji poszukiwanego w eksperymencie T2K Paweł Przewłocki Warszawska Grupa Neutrinowa Instytut Problemów Jądrowych

2. Kontekst i plan • Kontekst: badania, które robiłem w ramach pracy doktorskiej • Plan: • Oscylacje neutrin • Eksperyment T2K • Oszacowanie niepewności przekrojów czynnych na produkcję pionów w T2K • Oszacowanie wkładu od przypadków wielopionowych

3. Oscylacje neutrin • Na początek - dwa zapachy... • ...i dwa parametry: kąt mieszania, kwadrat różnicy mas • Dwa zestawy rezultatów: ‘atmosferyczne’ (małe L/E) i ‘słoneczne’ (duże L/E) • -> jesteśmy przekonani, że oscylują 3 zapachy ATM SOL

4. Oscylacje neutrin • Obserwujemy: • W eksperymentach „słonecznych” • W eksperymentach „atmosferycznych” • W eksperymentach „atmosferycznych” nigdy nie udało się zaobserwować

5. Oscylacje neutrin ZAPACH MASA „atmosferyczne” SK, K2K, MINOS CHOOZ „słoneczne” SNO, KamLand Schwetz et al. arXiv:0808.2016v3 [hep-ph]

6. Masy neutrin νμ νe ντ 1 eV log m log m2 Δm212 = 7.6 x 10-5 eV2 10-1 eV |Δm223|=2.4 x 10-3 eV2 Δm223 >0 Δm223 <0 10-2 eV Mass hierarchy

7. What we’d like to know... • Is third mixing angle θ13 non zero? • Is there a CP violation in neutrino sector? • More precise estimation of neutrino oscillation parameters is also necessary ...and how to measure it • Reactor: disappearance • Acceleratorappearance • For θ13 meas. we need: • an experiment with L/E • corresponding to • transition to/from • good precision (a few %)

8. ...i jak to zmierzyć (2) • Second generation of long baseline accelerator experiments • Powerful neutrino sources • „off axis” beams T2K Nova site Japan USA beam since 1/04/2009 NuMi (upgraded) Eν(peak) 0.76 GeV 2.22 GeV distance 295 km 812 km Far detector Super-Kamiokande to be built of mass (FV) 22.5 ktons 14 ktons Status Starts taking data Excavations started

9. Eksperyment Tokai2Kamioka • aa

10. T2K Collaboration SINS Warsaw NINP Krakow Warsaw Technical U 508

11. Laboratorium akceleratorowe J-PARC w Tokai, Ibaraki

12. Wiązka pozaosiowa T2K beam • Proton beam (30 GeV) hits the graphite target and produces hadrons, mostly pions • The pions decay: • Beam contamination: • Detectors are situated off-axis to get favorable spectrum shape Neutrino energy

13. Near Station – ND280

14. ND280 off-axis detector • UA1 magnet 0.2 T • inner volume 3.5x3.6x7 m3 • P0D – optimized for NC π0 production scintil. bars covered with lead & water layers SMRD counters in magnet slits • Tracker - optimized for neutrino • spectrum determination • FGD (to select CCQE events) • scintil bars and water layers • TPC (e/μ separation and • momentum measurement) • ECAL– elmgt calorimet. • SMRD – muon ranger

15. SMRD • Side Muon Range Detector • Scintillator modules placed in slits in the magnet • Aims: • Measurement of high energy muons from muon neutrino interactions • Cosmic ray muon measurements for triggering and monitoring • First cosmic ray muon and neutrino data started to be taken

16. Optymalizacja SMRD • Szukamy optymalnego ułożenia scyntylatorów w magnesie # Boczne + góra/dół Boczne QE Nr warstwy

17. Installation of magnet and SMRD (2008-2009)

18. ND280 components (now installed) TPC FGD To test the performance of the TPC, electrons, pions, muons, and protons were used in TRIUMF (momenta up to 400 MeV/c). INGRID

19. First neutrino event in ND280 INGRID – on axis detector to determine beam’s direction and profile Consists of 14 modules Every module (1x1x1 m3) composed of 11 alternating planes of plastic scintillators (5x1x100 cm3) and iron plates (6.5 cm thick)

20. SuperKamiokande • Large water Cherenkov detector • 50kton of water, 22.5kton fiducial volume • >11,000 PMTs • Detector well tested during over 10 years of data taking (SK standalone, K2K), systematics very well known • All front-end electronics and on-line systems renovated • GPS based system selects events correlated with T2K beam spills

21. Rings and particle identification

22. Piony neutralne w SK • π0→γγ

23. Pierwszy przypadek T2K • Zarejestrowany 24. lutego 2010 • Widoczne dwa pierścienie wyprodukowane przez gammy z rozpadu pionu neutralnego

24. T2K measurements (1) • Muon neutrino disappearance • We measure flux of surviving muon neutrinos and compare it with unoscillated flux • Careful rejection of non-quasielastic events is essential along with knowledge of initial neutrino spectrum shape #evts

25. T2K measurements (2) • Electron neutrino appearance (θ13!) • We look for electron neutrinos resulting from oscillations • Background #1 – beam contamination • Background #2 – NCneutral pion production

26. Oddziaływania neutrin w T2K, produkcja rezonansowa pionów Przekroje czynne • Trzy dominujące typy reakcji – quasielastyczne (QE), rezonansowe (RES), głęboko nieelastyczne (DIS) • CCQE najprostsze w rekonstrukcji, używane do uzyskania widma wiązki i przekrojów czynnych w ND280 • Dla energii charakterystycznych dla T2K (~1 GeV) najistotniejszym źródłem pionów jest produkcja za pośrednictwem rezonansów, głównie Δ(1232) • Przekroje czynne są parametryzowane przez funkcje struktury, wektorowe (znane z eksperymentów elektronowych) i aksjalne (znane słabo, bo możliwe do uzyskania tylko w rozpraszaniu neutrin) Oddziaływania w ND280 Symulacje dla T2K ->

27. Jak przewidzieć NC produkcję pizer w SK? (1) • Ten kanał jest tłem dla pojawiania się neutrin elektronowych w dalekim detektorze • Możemy zmierzyć ten kanał w ND280, jednak ekstrapolacja do SK jest utrudniona – rekonstrukcja energii neutrina jest dla tych przypadków niemożliwa, a procedury ekstrapolacyjne (używające tzw. Far To Near Ratio) korzystają z różnic w profilach energetycznych. Możemy tylko zmierzyć energię samych pionów Spektrum pędowe pionów w ND280 (normalizacja arbitralna) ν ν π0 p

28. Jak przewidzieć NC produkcję pizer w SK? (2) • Inne podejście: zmierzmy w ND280 produkcję rezonansową w kanale w którym rekonstruujemy energię: produkcji CC pionów naładowanych. Uzyskane rezultaty modelowo przeniesiemy na produkcję NC π0 (te same parametry funkcji struktury) • Funkcje struktury parametryzują przekroje czynne w funkcji kwadratu przekazu czteropędu, Q2 • Analiza detektorowa pokazuje jednak, że dla produkcji CC pionów naładowanych obserwujemy znaczący deficyt przypadków przy małym Q2 – taka analiza jest obarczona wielkim błędem • Wniosek – pomiary w ND280 zbyt trudne, skorzystajmy z danych historycznych z komór pęcherzykowych, o dużo większych możliwościach rekonstrukcyjnych Rozkłady „prawdziwy” i po uwzględnieniu cięć detektorowych, normalizacja do 1 w obu przypadkach

29. Produkcja pionów w T2K – moja analiza Chcemy oszacować przekrój czynny oraz jego modelową niepewność Mamy mało danych, i głównie ze starych komór pęcherzykowych • ModelFormalizm Rarity-Schwingeradla wzbudzenia Delta(1232) • DaneEksperymenty ANL i BNL (dane neutrino-deuteron) • FitDwa parametry aksjalnych funkcji struktury dopasowujemy do danych • Symulacja i porównanieZa pomocą symulacji NuWro szacujemy niepewność w interesujących nas kanałach • OszacowanieOstatecznie, jaka jest niepewność?

30. ANL (Argonne National Lab, lata 70.) BNL (Brookhaven National Lab, lata 80.) Szeroka wiązka neutrin mionowych do 6GeV/15GeV, maksimum w 0.5GeV/1.2GeV Detektor – komora pęcherzykowa o średnicy 12 stóp/7 stóp wypełniona wodorem lub deuterem, 10 m3 przestrzeni roboczej, w polu magnetycznym Protony 12.4GeV (ANL) uderzają w berylową tarczę 30m przestrzeni rozpadowej, 15m osłony (ANL) Dane – ANL, BNL • Przypadki rejestrowane fotograficznie na kliszy i skanowane!

31. Dane – ANL, BNL • Lekkie jądra (deuter) – obserwowalne protony spectatory o pędzie powyżej 100MeV/c • Gammy wylatują z detektora – nie rejestrujemy pizer • Pomiary przekrojów czynnych: QE, produkcjapionów naładowanych • QE [ANL] Barish et al. Study of neutrino interactions in hydrogen and deuterium...Phys. Rev. D 16, 3103 (1977) [BNL] Baker et al. Quasielastic neutrino scattering...Phys. Rev. D 23, 2499 - 2505 (1981) (and others)

32. Model i fit • Resonance model: Rarita-Schwinger formalism for the Delta(1232) excitation(good approximation in ~1GeV energy range) • Axial form factors with 2 free parameters: axial mass MA and C5A(0) 20% for ANL data K.Graczyk, J. T. Sobczyk, Phys. Rev. D 77, 053001 (2008) K.Graczyk, J. T. Sobczyk, Phys. Rev. D 77, 053003 (2008) K.Graczyk, J. T. Sobczyk, Phys. Rev. D 79, 079903(E) (2009) 10% for BNL data

33. Wynik fitu • The fit is consistent with both ANL and BNL experiments ANL BNL

34. Niepewność produkcji pionów • The elipse is obtained from BNL and ANL fit • Points shown on the right are for CCpiplus/NCpizero cross section (1sigma min and max) calculated separately for different neutrino energies • We will now use neutrino simulations to obtain cross section uncertainty for the above channels

35. Simulations Nuance 3.006 NuWro • Generator: Nuance 3.006 (by Dave Casper from UCI) • Tested with K2K data* • π0 production – K2K experiment, measurement on water (1kt detector) • FSI (final state interactions) implemented • They can be turned off (for comparison purposes) • Resonance model: Rein-Sehgal (multiple resonances) • Generator: NuWro (Wrocław Neutrino Group) • Rarita-Schwinger resonance model (the same one was used in the fit) • Used with parameter sets obtained in fitting procedure – to get error contours as a function of energy • Samples: • 5 files for energies 0.5-2.5GeV and 4GeV (for cross-section stimation)on water • Two samples for both generators: with and without FSI • No detector effects here • We take into account RES and DIS events Nuance is used here as a reference *Measurement of single π0 production in neutral current neutrino interactions with water by a 1.3 GeV wide band muon neutrino beam, K2K Collab., Physics Letters B 619 (2005) 255–262

36. Wyniki – piony dodatnie (1)

37. Wyniki – piony dodatnie (2)

38. Wyniki – piony neutralne

39. Jakie energie neutrin są ważne? Energia neutrinaa energia elektronu • Energia pionów – 600-900 MeV • Energia neutrin – 1-4 GeV

40. Zdarzenia wielopionowe (1) • When we see a single pi zero it doesn’t have to be a single pion event; it can also be a multipion event (π0+nπ+/-), with other (charged) pions being low-energetic and this way invisible to us in water Čerenkov detector like SK • Let’s estimate how much we miss by taking into account only single pion events • In other words – how many multipion events may look like a single pizero in SK? Visibility assumptions • To see a charged particle, it has to have energy over the Cherenkov threshold • With other rings in the vicinity, the realistic value should be 50MeV above the threshold (we need a distinguishable ring) • π0is assumed to be always visible by its decay into two gammas

41. Zdarzenia wielopionowe (2) • 4% is not a large contribution, at least in the first phase of the experiment • But in the phase of precise measurements even 4% may be significant • Measurements in ND280, perhaps in future 2km LAr detector? 1.5*m+50MeV Single visible pizeros Multi pi background

42. Przekroje czynne: co warto zapamiętać • We believe this analysis gives us the best error estimation using ANL and BNL data • The uncertainty is at the level of 6-10% • The analysis takes into account only resonant component of uncertainty – we have to remember also about nonresonant background • Multipion events are negligible in the first order of approximation • Nasza publikacja: K. M. Graczyk, D. Kielczewska, P. Przewlocki, and J. T. Sobczyk, C5A axial form factor from bubble chamber experiments, Phys. Rev. D 80, 093001 (2009). • Wszystko również w moim doktoracie • T2K już zbiera dane!

43. Rezerwa

44. 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), towzory redukują się do 2-zapachowych. (CHOOZ)