Badanie oscylacji neutrin Badanie oscylacji neutrin w eksperymencie T2Kw eksperymencie T2K

Krzysztof M. GraczykKrzysztof M. Graczyk

Instytut Fizyki Teoretycznej Instytut Fizyki Teoretycznej

Uniwersytet WrocławskiUniwersytet Wrocławski

Neutrinowy eksperyment tzw. Neutrinowy eksperyment tzw. długiej bazy - drugiej generacjidługiej bazy - drugiej generacji

12 Countries Canada, France, Germany, Italy,

Japan, Korea, Poland, Russia, Spain, Switzerland, UK, USA

60 Institutes, 300 Ph.D. members

Polska Grupa w T2KPolska Grupa w T2K

PL we Współpracy T2K

Instytut Fizyki Jądrowej – Kraków (3)Instytut Problemów Jądrowych – Warszawa (5)Politechnika Warszawska (7) Uniwersytet Śląski (2)Uniwersytet Warszawski (2)Uniwersytet Wrocławski (3) razem 22 osoby

77 lat od hipotezy W. Pauliego -77 lat od hipotezy W. Pauliego -Dlaczego badać neutrina?Dlaczego badać neutrina?

• Fizyka poza granicami modelu Standardowego!!!

• Jakie są masy neutrin?• Jaka jest hierarchia mas?• Czy symetria CP jest łamana

w sektorze leptonowym?• Dlaczego macierze mieszania

kwarkowa i leptonowa są różne?

1

C. Walter, NuInt07

3

2

1

10-3 eV2

10-5 eV2

lubodwrotna

Oscylacje neutrinOscylacje neutrin

3

2

1

1212

1212

1313

1313

2323

2323

100

0

0

0

010

0

0

0

001

CS

SC

CeS

eSC

CS

SCi

ie

ijij

ijij

C

S

cos

sin

Macierz Maki-Nakagawa-Sakata (MNS)

Atmosferyczne Słoneczne

i

tiEipxifif

ieeU Mieszanina trzech stanów masowych z różnymi fazami

Oscylacje neutrinOscylacje neutrin

ji

ijjjiiijji

jjii UUUUUUUUP 2sin)Im(2sin)Re(4 **2**

222

222 ][][][27.14/

jiij

ijijij

mmm

GeVEkmLeVmELm

Model zakładający 3 rodziny (Wynik MiniBooNE) 6 parametrów do wyznaczenia

•Dwie różnicę kwadratów mas•Trzy kąty •Jedna faza CP (dla neutrin Diraca)

Detektor

Źródło e

e

Jak wyglądają dotychczasowe Jak wyglądają dotychczasowe parametry oscylacji parametry oscylacji

23223

23

105.2

45

eVm

o

Super-Kamiokande, K2K, MINOS).

013 12

CHOOZ252

12

12

108

32

eVm

o

KamLand,oraz neutrina słoneczne

Łamanie CP tylko w pomiarze produktów oscylacji

232

132

2322

2

3132

232

1322

2sincos2sin2sin

22sin2

1sin2sin2sin

ee U

)(sin2sin1)(

sin2sin)(

2322

2322

e

ee

PP

P

T2K - badamy dwa kąty mieszania

Cele T2KCele T2K

• O rząd wielkości lepszy pomiar parametrów oscylacji dla : pomiar deficytu.

• 20 razy bardziej czuły pomiar oscylacji e

• O kolejny rząd wielkości pomiar

• Szukanie łamania symetrii CP w sektorze leptonowym

Dokładność pomiarów w T2K

%2

%12sin223

232

m

eCP

CHOOZ

C. Juszczak, J.T. Nowak, J.T. Sobczyk,

Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:211-216,2006 T2K

W T2K mamy do czynienia

z mieszanką oddziaływań QE, RES oraz niewielki

wkład DIS

XN Oddziaływania typu:•QE•Produkcja pojedynczych pionów SPP

•Rezonansowe•Nierezonansowe•Koherentne

•nieelastyczne

Rozpraszanie na swobodnym nukleonie

Efekty jądrowe wpływają znacząco na •kinematykę•przekroje czynne•liczbę stanów końcowych

Jak będzie oddziaływać neutrino w Jak będzie oddziaływać neutrino w T2KT2K

......

......

...

n

nN

p

p

Xi

i

0'

16

bozonuwymina : ''

bozonuwymina :

ZXA

WXAO

ii

xi

ix

Oddziaływanie Neutral Current

Oddziaływanie Charged Current

Foton, bozon Z lub WNukleon

N

Różne teoretyczne opisy oddziaływania neutrina z jądrem

Wkład aksjalny!!!

ND 280m

ND 2km Off-Axis

W przyszłości

JHF

SK

295 km

Materials and Life ScienceExperimental Facility

Hadron Beam Facility

Nuclear Transmutation

J-PARC FacilityJ-PARC Facility

J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex

3 GeV Synchrotron(25 Hz, 1MW)

Linac

(350m)

50 GeV Synchrotron

(0.75 MW)

500 m

Neutrino to Kamiokande

K. Nishikawa, Korea

Upstream of Linac Tunnel

NeutrinoTunnel

50 GeV Tunnel

From 3 GeV toMaterials and Life

Middle of Linac Tunnel

From Linacto 3 GeV

3 GeVExtraction Point

TunnelTour

JPARCJPARC

Produkcja neutrin w JHFProdukcja neutrin w JHF

• 30 GeV Synchrotron Protonowy

• Dla 50 GeV: 3.3x1014 ppp– Repetition rate: 0.292

Hz– Moc: 0.77 MW, 1021

POT (jeden rok) – 130 dni operacyjnych

• Komora rozpadu pionów: 130 m

Konfiguracja Off-AxisKonfiguracja Off-Axis

Wybrano OA 2.5o

ND280

Spektrum energetyczne wiązki w Spektrum energetyczne wiązki w SKSK

Off-axis: OA2

e

Rozpady z Kaonów

W maksimum spektrum: e/ rzędu 0.2 %

Daleki Detektor: SKDaleki Detektor: SK

• 50 000 t wody• Wysokość: 42 m• Średnica 39 m• Detektor wewnętrzny (ID)

– 33.8m(h), 36.2(d)– 11 146 PMT

• Zewnętrzny detektor (OD)– Około 2m od ścian ID– 1 885 PMTS: zlicza

cząstki wchodzące/wychodzące z ID.

• Całkowita masa OD i ID 22 500 t.

m2(eV2) CC-QE CC-nonQE NC Wszystkie

Brak oscylacji 3,620 1,089 96 4,805

2.0x10-3 933 607 96 1,636

2.3x10-3 723 525 96 1,344

2.7x10-3 681 446 96 1,223

3.0x10-3 800 414 96 1,310

Oczekiwana liczba zdarzeń neutrin dla 3x1021 POT dla pomiaru deficytu dla różnych wartości m2

23 z sin2223=1.0 i sin22=0.0, dla 5 lat pracy.

A. Vacheret, NuInt07

Pomiar deficytu Pomiar deficytu

• Idea analogiczna jak w K2K• Pomiar profilu energetycznego

wiązki w ND• Rozpraszanie QE• Odtworzenie wiązki w SK na

podstawie ND• Porównanie z mierzoną wiązką

w K2K

M. H. Ahn, Phys.Rev. D74 (2006) 072003

K2K

Rekonstrukcja energii na podstawie zdarzeń QE

lll

llQE

PEM

mMEE

cos2

2 2

Przewidywania dla T2KPrzewidywania dla T2K

kmeV

GeV

E

LmP

2

2232

232 267.1sin2sin1)(

232

232

10

0.1sin

23 eVm

232 2sin

223m

Odejmujemy tło

A. Vacheret, NuInt07

ND280ND280

Pomiar i monitoring kierunku wiązki

Bliski DetektorBliski Detektor

• Pomiar strumienia neutrin w celu ustalenia strumienia w SK– Pomiar spektrum

energetycznego neutrin

• Pomiar neutrinowych przekrojów czynnych dla QE CC, non-QE, NC

• Ocena wkładu e - badanie pojawiania się e

ND280

Magnes UA1, 0.2 T TPC (Time Projector Chamber): 3

komory do pomiaru mionów z rozpraszania typu CC, rekonstrukcja znaku, rozróżnianie mionów, pionów i elektronów

FGD (Fine Grained Detectors): 2 moduły, tarczą na której będą oddziaływać neutrina

PI0D: pomiar z oddziaływań typu NC

ECAL (Electromagnetic Calorimeter): pomiar

SMRD (Single Muon Range Detector): pomiar mionów – wewnątrz luk w magnesie.

ND280TRACKER

ND280: Pomiar przekrojów ND280: Pomiar przekrojów czynnych czynnych

• Produkcja pojedynczych pionów:– NC1CC1 tło dla

pomiaru deficytu

– NC10 tło dla pomiaru e

• Pomiar przekrojów czynnych?

• Badanie oddziaływań słabych– Badanie struktury nukleonu

• Przekroje w małym Q2

Wiązka 1021 POT w 1-tonowym FGD.

Przekroje czynne dla oddzialywan Przekroje czynne dla oddzialywan typu CCtypu CC

M.O. Wascko, NuInt05

Niższe niż się wydawało przekroje czynne!MiniBooNE

Przeszacowane przekroje czynne w małym Q2?

Przekroje czynne dla oddziaływania Przekroje czynne dla oddziaływania typu NCtypu NC

• Śladowe dane eksperymentalne

• Opis oddziaływania typ NC– Jakie Form Faktory?

• Produkcja Pojedynczych Pionów w reakcjach NC– Zgodność dla sektora CC nie oznacza

zgodności dla sektora NC?

SPP w procesach typu NC SPP w procesach typu NC

K. M. Graczyk, NuInt07

Kilka słów na koniecKilka słów na koniec

• Eksperyment T2K znacząco przybliży nas do prawdy o własnościach neutrin:– parametry oscylacji– Przekroje czynne dla oddziaływań neutrin

• Badanie struktury nukleonu

• Rok 2009: pierwsze pomiary

PlanPlan

• Beam line construction started Apr. 2004• ND280 pit construction start Jul. 2007• UA1 magnet installation Apr. 2008• Completion of ND280 building Mar. 2009• Neutrino beam line commissioning Apr. 2009• ND280 Commissioning Oct. 2009