Paweł Przewłocki Warszawska Grupa Neutrinowa Wrocław, 7.12.2007

1. Tokai2Kamiokapierwszy eksperyment nowej generacji w fizyce oscylacji neutrinthe first new generation experiment in neutrino oscillation physics Paweł PrzewłockiWarszawska Grupa NeutrinowaWrocław, 7.12.2007

2. Plan na dziś • Co chcemy zmierzyć i jak? • Eksperyment T2K i jego elementy • Detektory, ich cele i ograniczenia • SuperKamiokande – detektor daleki • Detektor ND280 w bliskiej stacji • Symulacje, które używamy przy badaniach związanych z ND280

3. 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 ?

4. Nowa faza w rozwoju fizyki neutrin • I etap • zwiększenie precyzji pomiarów • Pomiar θ13 • II etap • Zbadanie symetrii CP w sektorze neutrinowym(potrzebny pomiar θ13) • Realizacja celów – 2 podejścia • Eksperymenty reaktorowe (Double Chooz – Francja, Daya Bay – Chiny) – wyznaczenie θ13gdy odpowiednio duże • Silne wiązki akceleratorowe (T2K – Japonia, Nova – USA) – niskie wartości θ13 , możliwość badania hierarchii mas (efekty materii) i CP

5. 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:

6. Jak to robimy? • Produkujemy wiązkę neutrin mionowych, pozwalamy im przelecieć odpowiednią drogę i szukamy neutrin elektronowych w detektorze • Ale nie potrafimy wyprodukować czystej wiązki mionowej. Żeby więc badać efekty tylko oscylacji, musimy oszacować poziom zanieczyszczenia elektronowego – dodatkowy detektor przy źródle wiązki • Bliski detektor możemy też użyć do oszacowań tła eksperymentalnego w dalekim detektorze

7. 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

8. To może… Kamioka Tokai

9. 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

10. Produkcja wiązki 110m protony Tarcza i rożki magnetyczne tunel rozpadowy monitor mionowy osłona Tło pochodzi z rozpadów mionów i kaonów: Monitor mionowykontroluje kierunek wiązki poprzez rejestrację wysokoenergetycznych mionów (które nie zdążyły się rozpaść ani nie zostały zaabsorbowane)

11. NA61/SHINE (CERN) • Rozszerzenie NA49 • Badanie produkcji hadronów w zderzeniach protonów i jąder za pomocą detetora hadronowego wysokiej akceptacji w CERN SPS • Cele fizyczne • Fizyka silnie oddziałującej materii • Dane dla eksperymentów badających fizykę neutrin i promieni kosmicznych • -> Pomiary dla T2K • Pomiary dla repliki tarczy T2K • Pomiar przekrojów czynnych na produkcję pi i kaonów • Pomiar rozkładów kątowych i rozkładów pędów • Te dane będą wykorzystane w symulacji wiązki w eksperymencie T2K

12. NA61 – tarcza T2K Takeshi Nakadaira

13. Wiązka OA2 νμ νe OA2 OA3 OA1 Detektory ustawiamy poza osią wiązki – to taki trick żeby dostać ładny profil energetyczny

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

15. Detektory: jakie procesy dominują? CC Widmo wiązki z uwzględnieniem przekrojów czynnych • Nuance 3.006, oddz. na wodzie • 42% cc and 17% nc events – QE • 22% cc  and 8.5% nc events – RES • 5.4% cc  and 1.8% nc events – DIS • And others, more exotic (diffractive, coherent, elastic on electrons)

16. SuperKamiokande

17. 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.

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

19. SK - detekcja • SuperK wykorzystuje zjawisko Czerenkowa – emisję światła przez cząstkę o prędkości większej niż prędkość światła w ośrodku (choć oczywiście nie większej niż prędkość światła w próżni:-) • Cząstka naładowana świeci w wodzie, gdy jej energia jest większa niż 1.5 jej masy • Dwa rodzaje pierścieni • Mionowy – miony i piony naładowane • Elektronowy – elektrony i gammy • Pi zero rozpada się na dwie gammy – dwa pierścienie • Im większa energia pizera, tym trudniej je zidentyfikować (pierścienie coraz bardziej się nakładaja) q

20. Rozpoznawanie cząstek po wyglądzie pierścieni

21. 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

22. 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

23. Rola pozaosiowego detektora • Pomiar strumienia wiązki w funkcji energii i przekroje czynne • Najlepiej przez łatwo rekonstruowalne zdarzenia quasi-elastyczne z wymianą prądów naładowanych • Do wyznaczenia energii neutrina wystarcza nam tylko znajomość właściwości wychodzącego mionu • Oto formuła dla przypadków CCQE: μ θ ν p • Mion rekonstruujemy głównie przy pomocy detektorów TPC i ewentualnie SMRD • Tło: przypadki nie-QE, które wygladają jak QE – emitowane np. piony mogą nie zostać zarejestrowane/zidentyfikowane w detektorze

24. Rola pozaosiowego detektora • Oszacowanie tła dla przypadków elektronowych pochodzących z zanieczyszczenia wiązki neutrinami elektronowymi • Pomiar quasi-elastycznych oddziaływań neutrin elektronowych (w detektorze obserwujemy pojedynczy elektron) w FGD+TPC oraz niezależnie w P0Dzie • To zanieczyszczenie stanowi 60% tła w SuperK przy pomiarze pojawiania się neutrin elektronowych • Oszacowanie tła dla przypadków elektronowych pochodzących z oddziaływań NC neutrin mionowych • Pizero w SuperK może udawać elektron (co widzieliśmy przed chwilą) • Pomiar produkcji pizer w oddz. NC jest jednym z głównych celów P0Da • To tło to pozostałe 40% tła do nu_e appearance w SuperK gamma proton gamma

25. 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 5 Sci • Poziomo: moduły z 4 Sci 70cm

26. 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 wewnętrznych części detektora

27. SMRD - symulacje Przed startem eksperymentu chcemy przewidzieć wszystkie potencjalne problemy, zrozumieć dokładnie detektor który budujemy, opracować procedury, które będą potrzebne w trakcie działania eksperymentu (kalibracja, rekonstrukcja przypadków, etc.) Do czego użyjemy symulacji (na przykładzie SMRD): • 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

28. Elementy symulacji (dla ND280) • Symulacja wiązki – jnubeam • Generacja przypadków – NEUT (albo coś innego) • Propagacja przez materię – ND280MC • Symulacja elektroniki – elecSim • Efektem symulacji mogą być takie same pliki, jakie będziemy dostawać w czasie działania eksperymentu – analiza identyczna jak dla danych Wiązka Generacja Symulacja Elektronika

29. flux for nd280m off axis coming from + decay jnubeam • Symulacja wiązki (oddziaływania w tarczy i rozpady w rurze rozpadowej) • Program generuje oddziaływania w tarczy a potem propaguje to co wyprodukował przez rożki i tunel (GEANT3) • Można zmieniać konfigurację tarczy i rożków magnetycznych, wielkośc tarczy, prąd w rożkach itd. • Na wyjściu: pędowe i kątowe rozkłady dla neutrin różnych zapachów w różnych detektorach i pod dowolnym kątem względem osi wiązki Simulation parameters: proton momentum->30.9(GeV/c) target -> Carbon, length 90cm

30. Generacja oddziaływań neutrin • Symulacja oddziaływania neutrina z materią detektora • Oddziaływanie pierwotne • Przejście przez jądro (Final State Interactions) • Na wejściu: profil energetyczny wiązki, typ jądra na którym zachodzi rozpraszanie • Na wyjściu: lista cząstek wychodzących z jądra po oddziaływaniu (format tekstowy, HBOOK, ROOT) • Popularne generatory: NEUT, NUANCE, Genie, NuWro • Najnowsza wersja symulacji ładuje tylko pliki NEUTa • NEUT – generator japoński, możemy tylko korzystać z wygenerowanych przez japończyków plików (dostępnych na wewnętrznych stronach WWW T2K) $ begin $ nuance 1 $ vertex 364.9 1182.0 451.9 8.48088E-15 $ track 14 359.1747 1.00000 0.00000 0.00000 -1 $ track 2112 932.0165 -0.09139 -0.62145 -0.77810 -1 $ info 2 949362 1.1322E+14 $ track 13 213.1586 -0.74165 0.52764 -0.41419 -2 $ track 2212 1078.0326 0.90217 -0.40898 -0.13723 -2 $ track 2112 926.9892 0.76626 -0.27493 -0.58074 -2 $ track 2112 926.9892 0.14364 0.98737 -0.06688 -2 $ track 2212 926.9892 -0.00831 -0.96618 -0.25774 -2 $ track 2212 926.9892 0.51338 -0.08305 0.85413 -2 $ track 22 3.5000 -0.90285 -0.42758 0.04523 -2 $ track 13 213.1586 -0.74165 0.52764 -0.41419 0 $ track 2212 949.5245 0.52107 0.80535 -0.28268 0 $ track 2112 971.3971 0.68290 -0.54224 -0.48952 0 $ track 2212 954.8700 0.92813 -0.17673 0.32764 0 $ track 2112 959.5924 0.91532 -0.38410 0.12105 0 $ track 2212 950.6053 0.77917 -0.62668 0.01275 0 $ track 22 3.5000 -0.90285 -0.42758 0.04523 0 $ end

31. Symulacja detektora ND280MC • Pakiet oparty na GEANT4 (CERN) • Zaimplementowana pełna geometria detektora • Losowana jest lokalizacja wierzchołka oddziaływania neutrina i w tym miejscu symulacja ‘wpuszcza’ cząstki z listy generatora; potem propaguje je przez elementy detektora • Na wyjściu: tory wysymulowanych cząstek, hity (sygnały w detektorze) spowodowane przez przechodzące cząstki (format ROOTa, odczytywalny przy użyciu specjalnych klas ND280MC) • Można symulować nie tylko przypadki neutrinowe; używamy też ND280MC do symulacji mionów kosmicznych (do oszacowań związanych z kalibracją)

32. ND280MC Rings: 1 2 3 4 5 6 7 8 15 layers POD TPC TPC TPC

33. Event Display • Wyświetla: • Geometrię detektora • Tory cząstek z symulacji (odpowiednimi kolorami) • Hity, czyli sygnały w detektorze DStream ECal FGD POD

34. Analiza danych z ND280MC • Pliki wyjściowe .root można odczytywać i analizować używając odpowiednich klas ROOTa i symulacji • W pakiecie z symulacją dostajemy kilka przykładów w C++, ale dosyć kiepskich • Na stronie nd280.org w sekcji SMRD jest sporo przykładów napisanych przez Piotrka, mnie, Thomasa i Alieksieja, do wykorzystania • Jest tam pokazane jak odczytywać listę cząstek z symulacji i ich własności, dokładny przebieg torów cząstek, lokalizacje hitów i cząstki, które je spowodowały i mnóstwo innych

35. Symulacja elektroniki - elecSim • Sygnałów z detektora nie mamy w stanie czystym, tylko uzyskujemy je za pomocą odpowiedniego przetwarzania elektronicznego • Elektronika wprowadza szumy i ma swoje ograniczenia • Dlatego mamy oddzielny moduł symulujący cały tor pomiarowy – od przejścia cząstki przez czułą część detektora aż do zarejestrowania tego zdarzenia przez elektronikę • Na wyjściu: sygnał w postaci, w jakiej zostanie zapisany przez system komputerowy do późniejszych analiz (taki sam plik .root jak w wypadku ND280MC, tylko z wypełnionymi nowymi polami)

36. SMRD - konstrukcja modułu • 870 x 170 (167) x 7 mm • Scyntylator plastikowy pokryty materiałem odbijającym światło • Swiatłowód WLS (Y11 Kuraray), ~ 2.7 m dł. • Odczyt światła z obu stron (MPPC) • W sumie ~8000 kanałów odczytu (całe jarzmo)

37. Przykład: elecSim dla SMRD Trip-tfront-end board TFB TFB (q; t) (q; t) MPPC – multi-pixel photon counter WLS– wavelength shifter TFB TFB (q; t) (q; t) konfiguracja scyntylatora i WLS w SMRD – obecnie nie uwzględniona w elecSim

38. elecSim symulacja MC – hit: (depozyt energii; długość i pozycja toru) • Symulacja scyntylacji i propagacji światła:lista hitów MC „truth”→ lista fotonów na końcach światłowodu • (nr fotonu; czas) • Symulacja sensorów MPPC:lista fotonów → lista impulsów na wyjściu sensorów • (uwzględnia crosstalk, afterpulsy – liczba impulsów nie jest jednoznacznaz liczbą fotonów) • (nr impulsu; ładunek; czas) • Symulacja układów elektronicznych (TFB):lista impulsów na wyjściu sensorów → lista hitów elektroniki(układy TFB całkują ładunek w oknach czasowych zsynchronizowanychze spillem) odpowiedź detektora – hit: (ładunek; czas)

39. elecSim dark noise testy producenta sygnał LED MPPC wyjście elecSim

40. Podsumowanie • Prace przygotowawcze nad eksperymentem trwają • Liczymy na to, że po wakacjach będziemy mogli zacząć testowanie i montaż SMRD w Japonii (w tej chwili budowana konstrukcja pod ziemią, w której będzie nasz detektor) • Eksperyment startuje w 2009 roku

41. Backup

42. Backup - Produkcja wiązki • J-PARC – Japan Proton Accelerator Research Complex w Tokai, na wybrzeżu Pacyfiku • Wiązka protonowa 50GeV • 3.3*1014 protonów na puls • Impuls 5μs co 3.5 sekundy • Moc 0.75MW

43. Backup - 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.

44. Backup - elecSim • Symulacja scyntylacji i propagacji światła: • (model 1-wymiarowy, proste włókno WLS) • Ng = Evis*PhotPerMeV*Attenuation(path_length) • Evis = energy_deposit / ( 1 + BirksConstant * dE/dx ) • dE/dx = energy_deposit / track_length • fotony skojarzone są z informacją o czasie : • t = path_length / light_velocity + decayShift • decayShift = -1*fDecayTime*Log(Rnd(1)); model scyntylatora i światłowodu informacja z hitu MC dla SMRD wartości zależne od pozycji w 2 wymiarach (u nas ~7ns)