Badania tła do sygnału Badania tła do sygnału oscylacji oscylacji poszukiwanego w poszukiwanego w eksperymencie T2Keksperymencie T2K

Paweł PrzewłockiPaweł Przewłocki

Warszawska Grupa NeutrinowaWarszawska Grupa NeutrinowaInstytut Problemów JądrowychInstytut Problemów Jądrowych

Kontekst i planKontekst i plan

Kontekst: badania, które robiłem w Kontekst: badania, które robiłem w ramach pracy doktorskiejramach pracy doktorskiej

Plan:Plan:– Oscylacje neutrinOscylacje neutrin– Eksperyment T2KEksperyment T2K– Oszacowanie niepewności przekrojów Oszacowanie niepewności przekrojów

czynnych na produkcję pionów w T2Kczynnych na produkcję pionów w T2K– Oszacowanie wkładu od przypadków Oszacowanie wkładu od przypadków

wielopionowychwielopionowych

Oscylacje Oscylacje neutrinneutrin

Na początek - dwa Na początek - dwa zapachy...zapachy...

...i dwa parametry: kąt ...i dwa parametry: kąt mieszania, kwadrat różnicy mieszania, kwadrat różnicy masmas

Dwa zestawy rezultatów: Dwa zestawy rezultatów: ‘atmosferyczne’ (małe L/E) ‘atmosferyczne’ (małe L/E) i ‘słoneczne’ (duże L/E)i ‘słoneczne’ (duże L/E)

-> jesteśmy przekonani, że -> jesteśmy przekonani, że oscylują 3 zapachyoscylują 3 zapachy

E

LmP yx

222 27.1sin)2(sin)(

ATM

SOL

2

1

cossin

sincos

y

x

Oscylacje neutrinOscylacje neutrin

Obserwujemy:Obserwujemy:– W eksperymentach „słonecznych”W eksperymentach „słonecznych”

– W eksperymentach „atmosferycznych”W eksperymentach „atmosferycznych”

– W eksperymentach „atmosferycznych” W eksperymentach „atmosferycznych” nigdy nie udało się zaobserwowaćnigdy nie udało się zaobserwować

vvvv ee ,

vv

evv

Oscylacje neutrinOscylacje neutrin

3

2

1

1212

1212

1313

1313

2323

2323

100

0cossin

0sincos

cos0sin

010

sin0cos

cossin0

sincos0

001

v

v

v

e

ev

i

ie

ZAPACHZAPACH MASAMASA

„„atmosferyczne” atmosferyczne” SK, K2K, MINOSSK, K2K, MINOS

„„słoneczne” słoneczne” SNO, SNO, KamLandKamLand

CHOOZCHOOZ

Schwetz et al. arXiv:0808.2016v3 [hep-ph]Schwetz et al. arXiv:0808.2016v3 [hep-ph]

Masy neutrinMasy neutrin

log m2

νe

10-2 eV

10-1 eV

1 eVlog m

Δm223 <0Δm2

23 >0

|Δm223|=2.4 x 10-3 eV2

Δm212 = 7.6 x 10-5

eV2

40 meV < mii1

3

2 eV

Mass hierarchy

What we’d like to What we’d like to know...know...

Is third mixing angle θIs third mixing angle θ1313 non zero? non zero? Is there a CP violation in neutrino sector?Is there a CP violation in neutrino sector? More precise estimation of neutrino More precise estimation of neutrino

oscillation parameters is also necessaryoscillation parameters is also necessary

...and how to measure it...and how to measure itFor θθ1313 meas. we need: an experiment with L/E corresponding to

transition to/from good precision (a few %)

2atmm

or e e

Reactor: Reactor: disappearancedisappearance

AcceleratorAcceleratorappearanceappearance

e e

e P(e e ) 1 sin2 213 sin

2 1.27m132 L

E

Pvac ( e ) sin2 213 sin2 23 sin

2 1.27m132 L

E

+ f (CP ,sgn(m132 ))

...i jak to zmierzyć (2)...i jak to zmierzyć (2)

Second generation of long Second generation of long baseline accelerator experimentsbaseline accelerator experiments

• Powerful neutrino sources • „off axis” beams

T2K Novasite Japan USAbeam since 1/04/2009 NuMi (upgraded)Eν (peak) 0.76 GeV 2.22 GeVdistance 295 km 812 kmFar detector Super-Kamiokande to be builtof mass (FV) 22.5 ktons 14 ktonsStatus Starts taking data Excavations started

Eksperyment Eksperyment Tokai2KamiokaTokai2Kamioka

aaaa

T2K CollaborationT2K Collaboration

SINS WarsawNINP KrakowWarsaw Technical U

508

Laboratorium Laboratorium akceleratorowe J-PARC w akceleratorowe J-PARC w Tokai, IbarakiTokai, Ibaraki

Wiązka Wiązka pozaosiowapozaosiowa

Proton beam (30 GeV) hits the Proton beam (30 GeV) hits the graphite target and produces graphite target and produces hadrons, mostly pionshadrons, mostly pions

The pions decay:The pions decay:

Beam contamination:Beam contamination:

Detectors are situated off-axis Detectors are situated off-axis to get favorable spectrum to get favorable spectrum shapeshape

e

e

eK

e

0

Neutrino energy

T2K beam

Near Station – ND280Near Station – ND280

ND280 off-axis detectorND280 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

ECAL – elmgt calorimet. SMRD – muon ranger

Tracker - optimized for neutrino spectrum

determination FGD (to select CCQE events) scintil bars and water layers TPC (e/μ separation and momentum measurement)

SMRD counters in magnet slits

SMRDSMRD

Side Muon Range Side Muon Range DetectorDetector

Scintillator modules Scintillator modules placed in slits in the placed in slits in the magnetmagnet

Aims:Aims:– Measurement of high Measurement of high

energy muons from muon energy muons from muon neutrino interactionsneutrino interactions

– Cosmic ray muon Cosmic ray muon measurements for measurements for triggering and monitoringtriggering and monitoring

First cosmic ray muon First cosmic ray muon and neutrino data and neutrino data started to be takenstarted to be taken

Optymalizacja SMRDOptymalizacja SMRD Szukamy optymalnego ułożenia Szukamy optymalnego ułożenia

scyntylatorów w magnesiescyntylatorów w magnesie

QE

Boczne

Boczne + góra/dół

Nr warstwy

#

Installation of magnet Installation of magnet and and SSMRDMRD ( (2008-2009)2008-2009)

ND280 components ND280 components (now installed)(now installed)

To test the performance of the TPC, electrons, pions, muons, and protons were used in TRIUMF (momenta up to 400 MeV/c).

INGRID

TPC FGD

First neutrino event in First neutrino event in ND280 ND280

INGRID – on axis detectorto 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)

SuperKamiokandeSuperKamiokandeLarge water Large water Cherenkov Cherenkov detectordetector

50kton of water, 50kton of water, 22.5kton fiducial 22.5kton fiducial volumevolume

>11,000 PMTs>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

Rings and particle Rings and particle identificationidentification

Piony Piony neutralne neutralne w SKw SK ππ00→γγ→γγ

Pierwszy przypadek Pierwszy przypadek T2KT2K

ZarejestrowanZarejestrowany 24. lutego y 24. lutego 20102010

Widoczne dwa Widoczne dwa pierścienie pierścienie wyprodukowawyprodukowane przez ne przez gammy z gammy z rozpadu pionu rozpadu pionu neutralnegoneutralnego

T2K measurements (1)T2K measurements (1)

Muon neutrino disappearanceMuon neutrino disappearance– We measure flux of surviving muon neutrinos and We measure flux of surviving muon neutrinos and

compare it with unoscillated fluxcompare it with unoscillated flux– Careful rejection of non-quasielastic events is Careful rejection of non-quasielastic events is

essential along with knowledge of initial neutrino essential along with knowledge of initial neutrino spectrum spectrum shapeshape

#evts

T2K measurements (2)T2K measurements (2)

Electron neutrino appearance (Electron neutrino appearance (θθ1313!)!)– We look for electron neutrinos resulting We look for electron neutrinos resulting

from oscillationsfrom oscillations– Background #1 – beam Background #1 – beam

contaminationcontamination– Background #2 – NCBackground #2 – NC

neutral pion productionneutral pion production

N N 0

Oddziaływania neutrin w Oddziaływania neutrin w T2K, produkcja T2K, produkcja rezonansowa pionówrezonansowa pionów

Trzy dominujące typy reakcji Trzy dominujące typy reakcji – quasielastyczne (QE), – quasielastyczne (QE), rezonansowe (RES), głęboko rezonansowe (RES), głęboko nieelastyczne (DIS)nieelastyczne (DIS)

CCQE najprostsze w CCQE najprostsze w rekonstrukcji, używane do rekonstrukcji, używane do uzyskania widma wiązki i uzyskania widma wiązki i przekrojów czynnych w przekrojów czynnych w ND280ND280

Dla energii Dla energii charakterystycznych dla T2K charakterystycznych dla T2K (~1 GeV) najistotniejszym (~1 GeV) najistotniejszym źródłem pionów jest źródłem pionów jest produkcja za pośrednictwem produkcja za pośrednictwem rezonansów, głównie rezonansów, głównie ΔΔ(1232)(1232)

Przekroje czynne są Przekroje czynne są parametryzowane przez parametryzowane przez funkcje struktury, wektorowe funkcje struktury, wektorowe (znane z eksperymentów (znane z eksperymentów elektronowych) i aksjalne elektronowych) i aksjalne (znane słabo, bo możliwe do (znane słabo, bo możliwe do uzyskania tylko w uzyskania tylko w rozpraszaniu neutrin)rozpraszaniu neutrin) Symulacje dla T2K ->

Oddziaływania w ND280

Przekroje czynne

Jak przewidzieć NC Jak przewidzieć NC produkcję pizer w SK? produkcję pizer w SK? (1)(1) Ten kanał jest tłem dla pojawiania się neutrin elektronowych Ten kanał jest tłem dla pojawiania się neutrin elektronowych

w dalekim detektorzew dalekim detektorze Możemy zmierzyć ten kanał w ND280, jednak ekstrapolacja Możemy zmierzyć ten kanał w ND280, jednak ekstrapolacja

do SK jest utrudniona – rekonstrukcja energii neutrina jest do SK jest utrudniona – rekonstrukcja energii neutrina jest dla tych przypadków niemożliwa, a procedury dla tych przypadków niemożliwa, a procedury ekstrapolacyjne (używające tzw. Far To Near Ratio) ekstrapolacyjne (używające tzw. Far To Near Ratio) korzystają z różnic w profilach energetycznych. Możemy korzystają z różnic w profilach energetycznych. Możemy tylko zmierzyć energię samych pionówtylko zmierzyć energię samych pionów

ν

ν

pπ0

Spektrum pędowepionów w ND280 (normalizacja arbitralna)

Jak przewidzieć NC Jak przewidzieć NC produkcję pizer w SK? produkcję pizer w SK? (2)(2)

Inne podejście: zmierzmy w ND280 produkcję Inne podejście: zmierzmy w ND280 produkcję rezonansową w kanale w którym rezonansową w kanale w którym rekonstruujemy energię: produkcji CC pionów rekonstruujemy energię: produkcji CC pionów naładowanych. Uzyskane rezultaty modelowo naładowanych. Uzyskane rezultaty modelowo przeniesiemy na produkcję NC przeniesiemy na produkcję NC ππ0 0 (te same (te same parametry funkcji struktury)parametry funkcji struktury)

Funkcje struktury parametryzują przekroje Funkcje struktury parametryzują przekroje czynne w funkcji kwadratu przekazu czynne w funkcji kwadratu przekazu czteropędu, Qczteropędu, Q22

Analiza detektorowa pokazuje jednak, że dla Analiza detektorowa pokazuje jednak, że dla produkcji CC pionów naładowanych produkcji CC pionów naładowanych obserwujemy znaczący deficyt przypadków przy obserwujemy znaczący deficyt przypadków przy małym Qmałym Q2 2 – taka analiza jest obarczona wielkim – taka analiza jest obarczona wielkim błędembłędem

Wniosek – pomiary w ND280 zbyt trudne, Wniosek – pomiary w ND280 zbyt trudne, skorzystajmy z danych historycznych z komór skorzystajmy z danych historycznych z komór pęcherzykowych, o dużo większych pęcherzykowych, o dużo większych możliwościach rekonstrukcyjnychmożliwościach rekonstrukcyjnych

Rozkłady „prawdziwy”i po uwzględnieniu cięć detektorowych, normalizacja do 1 w obu przypadkach

ppv

Produkcja pionów w Produkcja pionów w T2K – moja analizaT2K – moja analiza

ModelModelFormalizm Formalizm RaritRarityy-Schwinger-Schwingeraa dla dla wzbudzenia wzbudzenia Delta(1232) Delta(1232)

DaDaneneEksperymenty Eksperymenty ANL ANL ii BNL BNL (dane (dane neutrino-deuteron)neutrino-deuteron)

FitFitDwa parametry aksjalnych funkcji Dwa parametry aksjalnych funkcji struktury dopasowujemy do danychstruktury dopasowujemy do danych

Symulacja i porównanieSymulacja i porównanieZa pomocą symulacji NuWro Za pomocą symulacji NuWro szacujemy niepewność w szacujemy niepewność w interesujących nas kanałachinteresujących nas kanałach

OszacowanieOszacowanie Ostatecznie, jaka jest niepewność?Ostatecznie, jaka jest niepewność?

Chcemy oszacować przekrój Chcemy oszacować przekrój czynny oraz jego czynny oraz jego modelową niepewnośćmodelową niepewność

Mamy mało danych, i głównie Mamy mało danych, i głównie ze starych komór ze starych komór pęcherzykowychpęcherzykowych

Dane – ANL, BNLDane – ANL, BNLANL (Argonne National Lab, ANL (Argonne National Lab,

lata 70.)lata 70.)BNL (Brookhaven National Lab, BNL (Brookhaven National Lab,

lata 80.)lata 80.) Szeroka wiązka neutrin Szeroka wiązka neutrin

mionowych do 6GeV/15GeV, mionowych do 6GeV/15GeV, maksimum w maksimum w 0.5GeV/1.2GeV0.5GeV/1.2GeV

Detektor – komora Detektor – komora pęcherzykowa o średnicy 12 pęcherzykowa o średnicy 12 stóp/7 stóp wypełniona stóp/7 stóp wypełniona wodorem lub deuterem, 10 wodorem lub deuterem, 10 mm33 przestrzeni roboczej, w przestrzeni roboczej, w polu magnetycznympolu magnetycznym

Protony 12.4GeV (ANL) Protony 12.4GeV (ANL) uderzają w berylową tarczęuderzają w berylową tarczę

30m przestrzeni rozpadowej, 30m przestrzeni rozpadowej, 15m osłony (ANL)15m osłony (ANL)

Przypadki rejestrowane Przypadki rejestrowane fotograficznie na kliszy i skanowane!fotograficznie na kliszy i skanowane!

Dane – ANL, BNLDane – ANL, BNL Lekkie jądra (deuter) – Lekkie jądra (deuter) –

obserwowalne protony obserwowalne protony spectatory o pędzie powyżej spectatory o pędzie powyżej 100MeV/c100MeV/c

Gammy wylatują z detektora – Gammy wylatują z detektora – nie rejestrujemy pizernie rejestrujemy pizer

Pomiary przekrojów czynnych: Pomiary przekrojów czynnych: QE, produkcjaQE, produkcjapionów pionów naładowanychnaładowanych

QEQE[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)

Model i fitModel i fit

Resonance model: Resonance model: Rarita-Schwinger Rarita-Schwinger formalism for the formalism for the Delta(1232) Delta(1232) excitationexcitation(good (good approximation in ~1GeV approximation in ~1GeV energy range)energy range)

Axial form factors with 2 Axial form factors with 2 free parameters: axial free parameters: axial mass Mmass MAA and C and C55

AA(0)(0)

2

2

2

525

1

)0()(

A

AA

M

Q

CQC

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)

2

1

2exp

22 1)()(

r

p

p

QpQn

i i

idiff

idiffth

thtot

thtot

N

Np

exp

exp

222BNLANL

20% for ANL data 10% for BNL data

Wynik fituWynik fitu

The fit is consistent with both ANL and BNL experiments

03.098.0

10.008.1

08.019.1)0(

03.094.0

5

BNL

ANL

A

A

p

p

C

M

ANL

BNL

Niepewność produkcji Niepewność produkcji pionówpionów The elipse is obtained The elipse is obtained

from BNL and ANL fitfrom BNL and ANL fit Points shown on the right Points shown on the right

are for CCpiplus/NCpizero are for CCpiplus/NCpizero cross section (1sigma min cross section (1sigma min and max) calculated and max) calculated separately for different separately for different neutrino energiesneutrino energies

We will now use neutrino We will now use neutrino simulations to obtain cross simulations to obtain cross section uncertainty for the section uncertainty for the above channelsabove channels

SimulationsSimulations Generator: Generator: Nuance 3.006Nuance 3.006

(by Dave Casper from UCI)(by Dave Casper from UCI) Tested with K2K data*Tested with K2K data*

– ππ00 production – K2K production – K2K experiment, experiment, measurement measurement on water (1kt detector)on water (1kt detector)

FSI (final state FSI (final state interactions) implementedinteractions) implemented– They can be turned off They can be turned off

(for comparison purposes) (for comparison purposes) Resonance model: Rein-Resonance model: Rein-

Sehgal (multiple Sehgal (multiple resonances)resonances)

Generator: NuWro (Wrocław Generator: NuWro (Wrocław Neutrino Group)Neutrino Group)

Rarita-Schwinger resonance Rarita-Schwinger resonance model (the same one was used in model (the same one was used in the fit)the fit)

Used with parameter sets Used with parameter sets obtained in fitting procedure – to obtained in fitting procedure – to get error contours as a function get error contours as a function of energyof energy

Samples:Samples:– 5 files for energies 0.5-2.5GeV 5 files for energies 0.5-2.5GeV

and 4GeV (for cross-section and 4GeV (for cross-section

stimation)stimation) on wateron water Two samples for both Two samples for both

generators: with and without FSIgenerators: with and without FSI No detector effects hereNo detector effects here We take into account RES and We take into account RES and

DIS eventsDIS events

Nuance is used here as a referenceNuance is used here as a reference

Nuance 3.006 NuWro

*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

Wyniki – piony dodatnie Wyniki – piony dodatnie (1)(1)

ppv nnv

Wyniki – piony dodatnie Wyniki – piony dodatnie (2)(2)

ppv nnv

Wyniki – piony Wyniki – piony neutralneneutralne

0 pvpv0 nvnv

Jakie energie neutrin są Jakie energie neutrin są ważne?ważne?

Energia pionów – 600-900 MeVEnergia pionów – 600-900 MeV Energia neutrin – 1-4 GeVEnergia neutrin – 1-4 GeV

Energia neutrina a energia elektronu

Zdarzenia wielopionowe Zdarzenia wielopionowe (1)(1)

When we see a single pi When we see a single pi zero it doesn’t have to be a zero it doesn’t have to be a single pion event; it can single pion event; it can also be also be a multipion eventa multipion event ((ππ00+n+nππ+/-)+/-), with other , with other (charged) pions being low-(charged) pions being low-energetic and this way energetic and this way invisibleinvisible to us in water to us in water ČČerenkov detector like SKerenkov detector like SK

Let’s estimate Let’s estimate how much how much we misswe miss by taking into by taking into account only single pion account only single pion eventsevents

In other words – how many In other words – how many multipion events may look multipion events may look like a single pizero in SK?like a single pizero in SK?

Nuance Monte Nuance Monte Carlo (water, Carlo (water, 500,000evts)500,000evts)

NC 1π0 total 2637726377

NC 1π0 0 π+/- 20841 (79%)20841 (79%)

NC 1π0 1 π+/- 3218 (12%)3218 (12%)

NC 1π0 2 π+/- 1723 (7%)1723 (7%)

To see a charged particle, it To see a charged particle, it has to have energy over the has to have energy over the Cherenkov thresholdCherenkov threshold

With other rings in the With other rings in the vicinity, the realistic value vicinity, the realistic value should be should be 50MeV above 50MeV above the threshold the threshold (we need a (we need a distinguishable ring)distinguishable ring)

π0 is assumed to be always is assumed to be always visible by its decay into two visible by its decay into two gammasgammas

Visibility assumptions

nNN 0

Zdarzenia wielopionowe Zdarzenia wielopionowe (2)(2)

All events All events visible as visible as single single pizeropizero

Events that Events that fake single fake single pizero (being pizero (being in fact a in fact a multipi)multipi)

thresholdthreshold 2123221232 391(1.8%)391(1.8%)

thresholdthreshold+50MeV+50MeV

2164921649 808(3.7%)808(3.7%)

1.5*m+50MeV

Multi pi background

Single visible pizeros 4% is not a large 4% is not a large contribution, at least in the contribution, at least in the first phase of the experimentfirst phase of the experiment

But in the phase of precise But in the phase of precise measurements even 4% may measurements even 4% may be significantbe significant

Measurements in ND280, Measurements in ND280, perhaps in future 2km LAr perhaps in future 2km LAr detector?detector?

Przekroje czynne: co Przekroje czynne: co warto zapamiętaćwarto zapamiętać We believe this analysis gives us the best error We believe this analysis gives us the best error

estimation using ANL and BNL dataestimation using ANL and BNL data The uncertainty is at the level of 6-10%The uncertainty is at the level of 6-10% The analysis takes into account only resonant The analysis takes into account only resonant

component of uncertainty – we have to remember also component of uncertainty – we have to remember also about nonresonant backgroundabout nonresonant background

Multipion events are negligible in the first order of Multipion events are negligible in the first order of approximationapproximation

Nasza publikacja:Nasza publikacja: K. M. Graczyk, D. Kielczewska, P. K. M. Graczyk, D. Kielczewska, P. Przewlocki, and J. T. Sobczyk, Przewlocki, and J. T. Sobczyk, C5A axial form factor C5A axial form factor from bubble chamber experiments, from bubble chamber experiments, Phys. Rev. D 80, Phys. Rev. D 80, 093001 (2009).093001 (2009).

Wszystko również w moim doktoracieWszystko również w moim doktoracie

T2K już zbiera dane!T2K już zbiera dane!

RezerwaRezerwa

Oscylacje – 3 zapachyOscylacje – 3 zapachyZakładającZakładającΔ Δ mm22

solsol << << Δ Δ mm22atmatm , , Δ Δ mm22

1313 = = Δ Δ mm222323 = = Δ Δ mm22

atmatm, , Δ Δ mm221212 = = Δ Δ mm22

solsol , , δδ=0=0

mamy dwa przypadki:mamy dwa przypadki: „„atmosferyczny” – małe L/Eatmosferyczny” – małe L/E

„„słoneczny” – duże L/Esłoneczny” – duże L/E

Gdy Gdy θθ1313=0 (a jest na pewno małe), to=0 (a jest na pewno małe), towzory redukują się do 2-zapachowych.wzory redukują się do 2-zapachowych.

ELmP e /27.1sinsin2sin)( 223

223

213

2

)(/27.1sincos2sin1)( 223

213

423

2ePELmP

2 o13 13sin 2 0.14 at 90% c.l. ( 10 )

(CHOOZ)

ELmP /27.1sin2sincos)( 223

223

213

4

1322

122

122

132 2sin5.0/27.1sin2sincos)( ELmP e