Neutrino Superbeam am LHC

Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer

Überblick über die aktuelle Neutrino Physik

Projektmotivation für Superbeam Experimente

Aufbau des Experiments

Erhoffte Ergebnisse

Zusammenfassung

Inhalt

Neutrino-Quellen

Stellare Kernfusion

Radioaktive Zerfälle

Reaktorneutrinos

Hintergrundstrahlung

Atmosphärische Schauer

Supernovae

AGN

QuasareBilden den Background bei BeschleunigerExperimenten können über ihre Energien,Flüßeund Richtung bestimmt werden

Neutrino-QuellenNeutrino-Quellen

Inverser β-Zerfall

β-Zerfall

µ-β-ZerfallElectroncapture

Λ-ZerfallCC-Scattering µ-ß-Zerfall

Π--Zerfall

Neutrinoeigenschaften

Drei Flavours (Reins&Cowan, Lederman et al., Donut)

Neutrino Antineutrino sind verschieden (Davis)

Maximale Paritätsverletzung (Wu et al.)

Neutrino-oscillation

Postuliert von Pontecorve (1957)

Erklärt Solares und athmospärisches Defizit (Davis, SuperK)

Konsequenz: Neutrinos haben Masse Auswirkungen auf die Kosmologie

Neutrino-oscillation

Solares Neutrinodefizit

Tag-und Nachtdifferenz

Athmospherisches Defizit

Solares SM überprüft

Solare NeutrinosL = 108 kmE =0.3 to 15 MeVΔm2 ~ 2-8 × 10-5 eV2 ProbOSC = ~100%

Atmospheric NeutrinosL = 15 to 12,000 kmE =300 to 2000 MeVΔm2 ~ 1- 7 × 10-3 eV2

ProbOSC = ~100%

2 Flavor-Neutrino oscillation

3 Flavor-Neutrino oscillation3 Flavor-Neutrino oscillation3 Flavor-Neutrino oscillation

Oscillation

Oscillationswahr-scheinlichkeit alsFunktion derMischungswinkelEs werden großeMischungswinkelbevorzugt vermutetDa auch das Vor-zeichen derMassendifferenzΔm2

23 ist nicht be-kannt ist, sind beideFälle für LMAaufgetragen.Dies ist mit unter dasZiel der Superbeam-projekt, das Vorzeichenvon Δm2

23 zubestimmen.

Oscillation

Oscilationswahr-scheinlichkeit bei130KmEntfernung

Oscilationswahr-scheinlichkeit bei0.250 GeV Neutrino-energieHohe Auflösung

Oscilationswahr-scheinlichkeit bei0.250 GeV Neutrino-energieGeringe Auflösung

Die Bedeutung der Beschleuniger experimente Zur Erforschungder Neutrino-Oscillation

Kontrollierte Neutrinoquelle:

Bestimmung der Neutrino-Energie

Bestimmung des Flavors

Bestimmung der Richtung und Flußdichte

Bestimmung der Verunreinigung des Strahls

Kenntniss des Hintergrundes

Nahdetektor und Ferndetektor Eichung möglich

Ferndetektor in ausgewählter Entfernung

1995-1998Schweiz CERN820 mNo oscillationNomad

1994-1997Schweiz CERN850 mNo oscillationChorus

Vτ-Apearance

1999-Japan Kamioka250 kmData takingK2K

Vµ-Dissapearance

1985-1996USA BNL1 kmNo oscillationE776

1995-1998Schweiz CERN820 mNo oscillationNomad

1994-2001UK18 mNo oscillationKarmen

1994-1998USA LosAlamos

30 mVe 18 ± 7 Ve 40 ± 9LSND

Ve-Apearance

1998-200USA750 mO/E= 1.04 ± 0.03 ±0.08

Paolo Verde

2001-Japan180 kmO/E= 0.611 ± 0.085 ±0.041

KamLAND

1997-1998France1 kmO/E=0.98 ± 0.4 ± 0.4Chooz

1981-1994France15 m, 40 m, 95 mNo oscillationBugey

RunLocationBaselineObservationVe-Dissapearance

Neutrino-Experimente

Überblick der Ergebnisse aus Neutrino - Experimenten

Exclusionplot:Die Werte derMassendifferenzensind so klein daßExperimentelle Datenimmer nur eineBeschränkung liefernkönnen.Neuere Experimentemüßen auf diesenDaten aufbauen unddie sensitivität wirdjeweils verbessert.

Neutrino-Beamprojekte am CERN

ICARUS

OPERA

SUPER-BEAM

ß-BEAM

NEUTRINO-FACTORY

Superbeam Neutrinostrahl

Neutrino Quelle

LHC

Beamhorn

BEAM AXIS

1500

1000

Ø80

0

Ø20

00

Ø80

600 kA (outer horn)

300 kA (inner horn)

Not to scale

BeamtargetsystemeEisen-Kupfer Target

Granulares Targetmit äußeremKühlsystem

Herkömmliche Targetswie z.B. aus Eisen-Kupferhalten den zukünftigenthermischen und radioaktivenUnd mechanischenBelastungen nicht mehr stand.Sie müßten in relativ kurzerZeit erneuert werden(Kostenfaktor).Alternative Systeme sindGranulares gekühltes TargetEs ist austauschbar ist allerdings aufwendigDie andere Methode: Zirkulierendes Quecksilbertarget der Austausch ist einfacher. Kühlung nicht notwendig. Äußeres Magnetfeld muß das Hg fokusieren. Entsorgung nicht einfach.

Quecksilberstrahltarget

Neutrino Hg-Beamtarget

Simulation der Stabilisation durch Magnetfeld Strahlverformungnach erstem bunch

Strahlverformung durchWechselwirkung mit demProtonenstrahl ohne äußeresMagnetfeld

Off-Axis Beam

θTarget Horns Decay Pipe

Detector

Offaxis reduziert die

Beam-energie

Scharfes Energie-

spektrum

Reduktion der Hoch-

energetischen Hinter-

gundstrahlung

Energie für

maximales Oscill-

ationssignal wählbar

Detektor

Wahl zwischen Wasser Cherenkov Detektor undScintillations Detector vom MiniBoontypDer Wasser Cherenkov Detektor vom SuperK typwird aus Kostengründen bevorzugt ausphysikalischer Sicht sind sie nahe zu equivalent.Es ist auch eine bewährte Technik.

Detektor

60x60x60m3x3Total Vol. 650 ktonFid.Vol 440 kton =20xSuperK56 000 20“ PMTs14 000 14“ PMTs

Wasser Cherenkov Detektor Geplanter Standort Frejus

UnterdrundlaborBaseline 130 Km

OptischeSeparation

Detektor

Detektor

Simulation eines 1GeV electronneutrinos und 1GeV muonneutrinosDie Herausforderung ist die genaue Zuordnung der Events und die Hintergrundreduktion

π0 o

r e?

Ende...

J.Reese

ANHANG

Δm223= 3 10-3eV2

ν1ν2

ν3

ν1

ν2

ν3

Δm212= 3 10-5 - 1.5 10-4 eV2

θ23 (atmos) = 450 θ12 (solar) = 300

θ13 (Chooz)< 130

3 Flavor-Neutrino oscillationNeutrinomassen sind zu klein um direktgemessen werden zu können.

Es wird versucht ihre Massendifferenz über dieOsszillationwahrscheinlichkeit zu messen.

Die Massenhierarchie ist jedoch noch nichtgeklärt

Untersuchungsmethoden

Shortbaseline Experimente

Longbaseline Experimente

Reaktorexperimente

Doppelbetazerfall

Appearance Experimente

Disappearance Experimente

Neutrinofragen

Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)

Majorana- oder Dirac-Teilchen?

Bestimmung der Oscillationsparameter θ13 und ± Δm23

Bestimmung der Masse und deren Hierarchie

ANHANG

mit

(anti-v)

Neutrinofragen

Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)

Zukunftige Neutrinoprojekte

0.2%~5,0001,000~12000.8OA0.3400C2GT

0.3%~4,60050810?~2OA0.4120NOnA

0.4%

0.3%

0.2%

0.2%

0.8%

1.2%

~1%

nepeak

~23,00050?810?~2OA2120NOnA+PD

~18,000

~13,000

~360,000

~3,000

~5,000

~2,500

~50

nmCC(/yr)

~5002950.7OA450T2K-II

~5002540~1WB/OA128BNL-Hs

~5001300.32WB42.2SPL-Frejus

22.5

~2

5.4

22.5

Mdet(kt)

295

732

730

250

L(km)

En(GeV)Beam

Power(MW)

Ep(GeV)

0.7OA0.7550T2K-I

18WB0.3400CNGS

3.5WB0.4120MINOS(LE)

1.3WB0.00512K2K

Im Bau /Genehmigt

Neutrino-Beamprojekte in Konstruktion

Opera

Icarus

Minos

MiniBoone

CNGS Neutrinostrahl

CNGSNeutrinostrahl

DRIFTKAMMER MIT 600 TONNEN FLÜSSIGEMARGON3-D DARSTELLUNG DER EVENTS

ANALOG ZUR BLASENKAMMER

ERZEUGTER NEUTRINO STRAHL:

1-100GeV

2600 vµ EREIGNISSE pro kt/Jahr OHNE OSCILLATION

22 vtau EREIGNISSE PRO kt/Jahr

v–

v+

d

+ -

+

–V0

i0

E

IONISATIONSSPUR

KATHODEPMT

Det.2

Det.1

MINOS

PROTONEN ENERGIE: 120 GeV

INTENSITÄT 4*10 p/spill

3,8*10 p/Jahr

13

20

MITTLERE ENERGIE vµ : 3 bis 18 GeVVERUNREINIGUNG MIT ve < 1%

Graphit Target

Nah-DetektorMISST ENERGIE

SPEKTRUMve CONTAMINATION

AbsorberHalle

Winkel 58 mrad

STAHL SCINTILLATIONS KALOROMETER

2,54 CM STAHL ABSORBER MIT

1,5T MAGNETFELD

POLYSTEREN-SCINTILLATONSSTREIFEN

(1CM DICK 4CM BREIT )

NAHDETEKTOR:

282 STAHLPLATTEN

980 TONNEN3.8 * 4.8 m OKTAGON

FERN DETEKTOR:

486 STAHLPLATTEN

5.4 TONNEN

KALIBRATION BEIDER DETEKTOREN MIT KOSMISCHER STRAHLUNG

Neutrinofactory

Neutrinos aus einem einem MyonenspeicheringMyonen aus Pionenzerfall schwierig ist die Myonenzu Speichern Kühlung und Magnetfeld nötig

ß-Beam

Neutrinostrahl gewonnen aus beschleunigten radioactiven Ionen Reiner Neutrinoflavourstrahl; bekanntesEnergiespektrum undIntensitätBessere HintergrundreduktionBestimmungder CP-Verletzungsphase δ undMischungswinkelθ13

Complementaire zumSuperbeam

Oxide fiber target

Zusammenfassung

Neutrinobeam

ß-Beam

Neutrinofactory