Pomiary oddziaływań w eksperymencie Miniboone

11

Pomiary oddziaływań Pomiary oddziaływań w eksperymencie w eksperymencie

MinibooneMiniboone

Uniwersytet WarszawskiUniwersytet Warszawski

Magdalena PosiadałaMagdalena Posiadała

22

Plan seminariumPlan seminarium• Wyniki LSNDWyniki LSND• Eksperyment Miniboone –wiązka Eksperyment Miniboone –wiązka neutrinneutrin• Detektor Detektor • Sygnatura oddziaływań neutrin wSygnatura oddziaływań neutrin w detektorzedetektorze• Przekroje czynne na oddziaływania Przekroje czynne na oddziaływania • Plan Miniboone na 2006 rok – wiązkaPlan Miniboone na 2006 rok – wiązka antyneutrinantyneutrin• PodsumowaniePodsumowanie

www.panic05.lanl.gov/abstracts/308/Djurcic Zelimirwww.panic05.lanl.gov/abstracts/308/Djurcic Zelimir 33

ee

LSND zbierał dane: ‘93-98

oscylacje:

e na poziomie 3σ

e na poziomie 4σ

20 < E< 53 MeV

Eksperyment LSNDEksperyment LSND

eOscillations?

Signal: e p e+ n

n p d (2.2MeV)

ee

8.3m long5.7 m diameter

L=30m

http://www-boone.fnal.gov/slides-talks/conf-talk/shaevitz/M_Shaevitz_Now2004.pdfhttp://www-boone.fnal.gov/slides-talks/conf-talk/shaevitz/M_Shaevitz_Now2004.pdf 44

!!!

M.Sorel, J.Conrad, M.S. hep-ph/0305255M.Sorel, J.Conrad, M.S. hep-ph/0305255 55

LSND LSND nowe neutrino(a) nowe neutrino(a) tzw. sterylne tzw. sterylne

ss

Modele (3+>1) Modele (3+>1)

66

MinibooneMiniboone• Cel: definitywnie potwierdzić Cel: definitywnie potwierdzić albo wykluczyć wyniki LSNDalbo wykluczyć wyniki LSND• I etap 2002 -2005 rok wiązka neutrin:I etap 2002 -2005 rok wiązka neutrin:

e e

• II etap II etap 19 stycznia 200619 stycznia 2006 roku roku wiązka antyneutrin: wiązka antyneutrin:

ee

• Jeśli potwierdzi wynik LSND – możliwość 2 detektoraJeśli potwierdzi wynik LSND – możliwość 2 detektora

http://www-boone.fnal.gov/slides-talks/conf-talk/shaevitz/M_Shaevitz_Now2004.pdfhttp://www-boone.fnal.gov/slides-talks/conf-talk/shaevitz/M_Shaevitz_Now2004.pdf 77

88

Wiązka Wiązka (() w Miniboone ) w Miniboone

• protony o energii 8GeV zderzane z tarcza berylową protony o energii 8GeV zderzane z tarcza berylową

• produkowane mezony wtórne, w wyniku rozpadu produkowane mezony wtórne, w wyniku rozpadu którychktórych powstają (anty)neutrina mionowe powstają (anty)neutrina mionowe

• dzięki odpowiednim ustawieniom magnesów możemy dzięki odpowiednim ustawieniom magnesów możemy otrzymać wiązkę neutrin jak i antyneutrin mionowychotrzymać wiązkę neutrin jak i antyneutrin mionowych

• pulsy o szerokości 1,6pulsy o szerokości 1,6s o średniej częstotliwości <5 Hz> s o średniej częstotliwości <5 Hz>

www-boone.fnal.gov/publicpages/runplan.ps.gzwww-boone.fnal.gov/publicpages/runplan.ps.gz 99

Strumień neutrin Strumień neutrin

e

e

eK

e

0

• protony zderzają się z tarczą protony zderzają się z tarczą BeBe

• strumień strumień ::

• małe tło małe tło ee : :

symulacje MC wiązki

e/=6x10-3

K

1010

DetektorDetektor

• 800 ton CH800 ton CH2 2 olej mineralnyolej mineralny

• 445 ton obszar czuły (FV)445 ton obszar czuły (FV)

• 1520 PMTs1520 PMTs

• 1280 + 240 PMTs jako 1280 + 240 PMTs jako obszar veto obszar veto

• Pomiar reakcji CC:Pomiar reakcji CC: promieniowanie promieniowanie

CzerenkowaCzerenkowa:: kierunkowekierunkowe próg energetyczny Epróg energetyczny Eczcz > >

1.5m1.5mczcz

scyntylacje scyntylacje : : izotropoweizotropowe nie ma progu energetycznegonie ma progu energetycznego

średnica 12m

1111

• vv

neutrino2002.ph.tum.de/pages/transparencies/tayloe/index.html

1212

m2 = 0.4 eV2

m2 = 1 eV2

• Zbadanie sygnału z LSND na poziomie 4-5σ• potrzeba 1x1021 pot (protons on target)• niepewności syst na poziomie ~5%

Miniboone – czułość Miniboone – czułość eksperymentueksperymentu

1313

elektrony Michel’a z rozpadu : kalibracja E dla niskich energii (52.8 MeV),

pik masy 0 : zdolność rozdzielcza dla średniej energii (135 MeV),

12% E res at

52.8 MeV

KalibracjaKalibracja

miony kosmiczne energia & zdolność rozdzielcza dla E(100-800 MeV), możliwość wyznaczenia zasiegu mionu w detektorze

e

fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_20050926fpgh.hep.okayama-u.ac.jp/-NuInt/main/session2/wascko_20050926 1414

1515

0 →

e-

candidate

beam candidate

beam 0

candidate

Pierścienie Czerenkowa – wstępne źródło identyfikacji produktów powstałych z oddz. w detektorze

n - p

e n e- p

p p 0

n n

Identyfikacja cząstekIdentyfikacja cząstek

1616

Fizyka neutrin Fizyka neutrin ~~1GeV1GeV

• Dane z eksperymentu Miniboone dostarczą Dane z eksperymentu Miniboone dostarczą informacji o nisko-energetycznych informacji o nisko-energetycznych oddziaływaniach neutrinoddziaływaniach neutrin

• Statystyka Miniboone będzie największa w Statystyka Miniboone będzie największa w stosunku do wszystkich pozostałych stosunku do wszystkich pozostałych eksperymentów w zasięgu Eeksperymentów w zasięgu E~~1GeV1GeV

MinibooneK2K

hep-ex/0312061hep-ex/0312061 1717

Przekroje czynne na reakcje Przekroje czynne na reakcje CCQECCQE

• CCQE (Charged CCQE (Charged CurrentCurrent

Quasi Elastic)Quasi Elastic)

• Słabo znane Słabo znane σσ poniżej poniżej

kilku GeVkilku GeV

1818

Reakcje CC z produkcją Reakcje CC z produkcją 11

• Rezonansowa Rezonansowa

produkcja produkcja

(np. 80% (np. 80% 00

produkuje się produkuje się

rezonansowo) rezonansowo)

--∆(1232)∆(1232)

nn

pn

pp0

1919

Reakcje CC z produkcją 1Reakcje CC z produkcją 1++

• produkcja produkcja

koherentnakoherentna

• rozpraszanie rozpraszanie na na całym jądrzecałym jądrze

00 rozproszone do rozproszone do „przodu” (małe Q„przodu” (małe Q22))

2020

Reakcje NC z produkcją 1Reakcje NC z produkcją 1

• Brak danych eksp.Brak danych eksp.

poniżej poniżej

<E>= 2GeV!!!<E>= 2GeV!!!

2121

Miniboone - daneMiniboone - dane

dla wiązki neutrinowejdla wiązki neutrinowej

2222

Selekcja CCQE Selekcja CCQE

max 1 elektron max 1 elektron Michel’aMichel’a

ee-- 20<N 20<NPMTPMT<200<200Selekcja oddziaływań Selekcja oddziaływań

CCQE:CCQE:

10 zmiennych 10 zmiennych potrzebnych do potrzebnych do wyznaczenia wyznaczenia topologii topologii oddziaływania dla oddziaływania dla pierścienia pierścienia Czerenkowa Czerenkowa pochodzącego od 1 pochodzącego od 1 mionumionu

Czystość próbki : 86% Czystość próbki : 86%

www.slac.stanford.edu/econf/C040802/lec_noteswww.slac.stanford.edu/econf/C040802/lec_notes 2323

Quasi-Elastic Quasi-Elastic EventsEvents

pomiar :widocznej E oraz θ

z prom. Czerenkowa() + światło scyn.(p)

deficyt deficyt „do „do przodu”przodu”


Dane CCQE Dane CCQE

• Rekonstrukcja:Rekonstrukcja:

• energii neutrina Eenergii neutrina E

Nove_Zeller_Venice06Nove_Zeller_Venice06 2525

Dane CCQEDane CCQE• dla małych Q2 niezgodność danych doświadczalnych z MC

• małe Q2 – duże znaczenie

efektów jądrowych!!!

•zakaz Pauliego pn > pF

•efekt widoczny również w K2K

Q2 = m2 - 2E(E-pcos)

2626

Selekcja dla CC1Selekcja dla CC1++

• Powstają 2 elektrony Powstają 2 elektrony Michel’aMichel’a

ee-- (20 < N (20 < NPMT PMT < 200)< 200)

czystość czystość

próbki próbki 84%84%

tło od Ntło od N , QE , QE





40% of40% of

pionspions

stopsstops

hep-ex/0602051hep-ex/0602051 3131

Czas życia Czas życia

• W detektorze Miniboone nie ma pola B . W detektorze Miniboone nie ma pola B . • Jak odróznić sygnał Jak odróznić sygnał -- od od + + ??????

• 8% 8% - - ulega wychwytowi w CH2 ulega wychwytowi w CH2

• Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują się się różnym różnym !!! !!! czasem życia:czasem życia:

22ssdla dla -- s dla s dla ++



Dane CC1Dane CC1++

rekonstrukcja kierunku rekonstrukcja kierunku z prom. z prom. Cz.Cz.

małe Qmałe Q22

dla dla „do „do

przodu” przodu”

3434

Dane CC1Dane CC1++

• Rekonstrukcja ERekonstrukcja E

z wykorzystaniemz wykorzystaniem

zmierzonej Ezmierzonej E oraz jego oraz jego kierunku kierunku • założenie :założenie :

proces 2 ciałowy (QE)proces 2 ciałowy (QE) ∆∆1232 to stan końcowy,1232 to stan końcowy,zamiast p (tak jak w CCQE)zamiast p (tak jak w CCQE) zdolność rozdzielcza zdolność rozdzielcza 20%20%


Współczynnik CC1Współczynnik CC1++/CCQE/CCQE

• Stosunek N(CC1Stosunek N(CC1++)/ N(CCQE))/ N(CCQE)

• W CCQE dla wysokich energii W CCQE dla wysokich energii

-- „wychodzi” z detektora „wychodzi” z detektora

• Próg dla CC1Próg dla CC1+ + >CCQE>CCQE

• Obszar do dalszej analizyObszar do dalszej analizy

Błędy systematyczne:Błędy systematyczne: propagacja światła w oleju(20%)propagacja światła w oleju(20%) przekrój czynny(15%), energia zrekonstruowana(10%), przekrój czynny(15%), energia zrekonstruowana(10%),

statystyka(5%)statystyka(5%)

PoprawionyPoprawiony

na:na:

-rozmycie E-rozmycie E

-efektywność -efektywność selekcjiselekcji

-tło-tło


Współczynnik CC1Współczynnik CC1++/CCQE/CCQE

(10

(10

-36

-36

cm cm

22))


CCCC11++ przekrój czynnyprzekrój czynny• zmierzony współczynnik CC +/QE wymnożony przezteoretyczne przewidywania dla przekroju czynnego na QE

(J. Monroe, M. Wascko)

• ~σ o 25% niższy od przewidywań, ale w granicy niepewności

(10

(10

-36

-36

cm cm

22))


Przekrój czynnyPrzekrój czynny

• Pierwszy pomiar przekroju czynnego dla dla tak niskich energii ~1GeV• Kluczowe jest zrozumienie efektów jądrowych dla tego zakresu energii aby wyjaśnić otrzymane wyniki

• Nowe modele teoretyczne??

3939

MinibooneMiniboone

program z wiązką antyneutrinowąprogram z wiązką antyneutrinową

start : start : 19 styczeń 2006 rok19 styczeń 2006 rok

4040

MotywacjaMotywacja

• ostateczne potwierdzenie lub wykluczenie ostateczne potwierdzenie lub wykluczenie sygnału LSND sygnału LSND ee

• poszukiwanie łamania CP wymaga poszukiwanie łamania CP wymaga pomiaru oscylacji dla neutrin pomiaru oscylacji dla neutrin e e jak i jak i ich antyneutrin ich antyneutrin ee

• wyznaczenie przekrojów czynnych na wyznaczenie przekrojów czynnych na oddziaływania oddziaływania

dla antyneutrin, które jak dotąd znane są dla antyneutrin, które jak dotąd znane są bardzo słabobardzo słabo

wascko_nufct05_20050623wascko_nufct05_20050623 4141

RozpraszanieRozpraszanie CCQE CCQE

• kilka pomiarów kilka pomiarów σσ

• brak danych brak danych poniżej poniżej 1GeV!!!1GeV!!!

• Miniboone przewiduje Miniboone przewiduje

~~ 40,000 zdarzeń 40,000 zdarzeń (przed cięciami) dla (przed cięciami) dla 2*102*1020 20 POTPOT

4242

Porównanie Porównanie σσ dla dla i i

σσ dla dla dla 1 GeV jest ok.. 3 razy mniejszy od dla 1 GeV jest ok.. 3 razy mniejszy od σσ dla dla !!!!!!


NC NC oo

• tylko 1 pomiartylko 1 pomiar

• 25% niepewności przy 25% niepewności przy 2GeV2GeV

• Stanowi b.duże tło dla Stanowi b.duże tło dla poszukiwania poszukiwania sygnałusygnałue e (appearance)w wyniku (appearance)w wyniku oscylacjioscylacji


Czułość na Czułość na e e

• Wykluczenie/Wykluczenie/potwierdzeniepotwierdzenie

sygnału LSND może być sygnału LSND może być w pełni dokonane przy w pełni dokonane przy wiązce antyneutrinowejwiązce antyneutrinowej

• Porównanie LSND z Porównanie LSND z wynikami KARMENwynikami KARMEN


PodsumowaniePodsumowanie• Zebrano > 700k oddz.neutrin (> 1k antyneutrin) (7 x 1020 POT)

• Największa próbka danych dla energii 1 GeV • Zmierzony przekrój czynny dla małych Q2 jest mniejszy od oczekiwanego

• Zrozumienie dla CC1+ dla niskich wartości energii

neutrin E - rola efektów jądrowych!!!

• Zmierzony względny współczynnik CC1+/CCQE dla dużej statystyki

•Wkrótce : wyniki oscylacji dla e !!!!

4646

Back up slidesBack up slides

4747

MotywacjaMotywacja• ostateczne potwierdzenie lub ostateczne potwierdzenie lub

wykluczenie sygnału LSND wykluczenie sygnału LSND ee

• poszukiwanie łamania CP w poszukiwanie łamania CP w przyszłych eksperymentach przyszłych eksperymentach

(poza „osią” wiązki) wymaga (poza „osią” wiązki) wymaga pomiaru oscylacji dla neutrin pomiaru oscylacji dla neutrin e e jak i ich antyneutrin jak i ich antyneutrin ee

• sektor CP w niektórych sektor CP w niektórych modelach może występować modelach może występować tylko dla antyneutrin tylko dla antyneutrin

• wyznaczenie przekrojów wyznaczenie przekrojów czynnych na oddziaływania czynnych na oddziaływania

dla antyneutrin, które jak dla antyneutrin, które jak dotąd znane są bardzo słabodotąd znane są bardzo słaboAsymetria prawd. oscylacji dla i w funkcji

prawd. oscylacji dla dla modelu 3 +2

wascko_nufact05_20050623wascko_nufact05_20050623 4848

Oddziaływania Oddziaływania - WS- WS

• dla wiązki neutrin tło od dla wiązki neutrin tło od jest bardzo małe jest bardzo małe ~~2%2%

• dla wiązki antyneutrin tło dla wiązki antyneutrin tło od od

~~ 30 % 30 %

• Miniboone nie ma pola B Miniboone nie ma pola B aby odróżnić znaku aby odróżnić znaku wychodzącego wychodzącego , , przypadek po przypadku, przypadek po przypadku, czyli oddziaływań czyli oddziaływań od od

hep-ex/0602051hep-ex/0602051 4949

Miniboone dla Miniboone dla

• Spodziewana liczba Spodziewana liczba przypadków oddziaływań przypadków oddziaływań dla wiązki antyneutrin w dla wiązki antyneutrin w Miniboone na podstawieMiniboone na podstawie

nuance MCnuance MC

• 2*102*102020 POT POT

• 550cm fiducial volume550cm fiducial volume

• zbieranie danych do końca zbieranie danych do końca 2006 roku2006 roku

• zdarzenia tzw WS stanowią zdarzenia tzw WS stanowią ok. 30% wszystkich ok. 30% wszystkich zdarzeńzdarzeń

5050

Sposób oszacowania Sposób oszacowania przypadków WS przypadków WS

• Miniboone opracował 3 metody Miniboone opracował 3 metody oszacowania tła od neutrin mionowych . oszacowania tła od neutrin mionowych . Opierają się one na pomiarze:Opierają się one na pomiarze:

rozkładu kątowego cosrozkładu kątowego cosθθ w oddz. w oddz. CCQECCQE

czasu życia mionuczasu życia mionuliczby przypadków CC1liczby przypadków CC1++

hep-ex/0602051hep-ex/0602051 5151

Kierunek Kierunek

• Różny rozkład kątowy Różny rozkład kątowy coscosθθ dla dla i i

• Powód : skrętność Powód : skrętność antyneutrin, z powodu antyneutrin, z powodu której cosktórej cosθθ ma max ma max dladla

małych wartości kąta małych wartości kąta θθ

• Nuance MCNuance MC

• Zdolność rozdzielcza Zdolność rozdzielcza detektora – 4detektora – 4oo

hep-ex/0602051hep-ex/0602051 5252

Czas życia Czas życia

• 8% 8% - - ulega wychwytowi w CH2 ulega wychwytowi w CH2

• Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują się Stąd mion dodatni i ujemny charakteryzują się różnym czasem życia:różnym czasem życia:

ssdla dla -- s dla s dla ++

• dla CCQE przypadki WS mogą być zidentyfikowane z dla CCQE przypadki WS mogą być zidentyfikowane z 30% niepewnością statystyczną30% niepewnością statystyczną

• zmienna ta niezależna od kinematyki procesu i zmienna ta niezależna od kinematyki procesu i rekonstrukcji zdarzeniarekonstrukcji zdarzenia

hep-ex/0602051hep-ex/0602051 5353

CC1CC1++

• antyneutrinaantyneutrina nie nie oddziałująoddziałują !!! w reakcjach !!! w reakcjach CC1CC1++

• Oddziaływania CC1Oddziaływania CC1++ tylko dla tylko dla

• 22 elektrony Michel’a sygnaturą oddziaływania elektrony Michel’a sygnaturą oddziaływania

• CC1CC1- - wychwyt wychwyt -- przez jądro C przez jądro C

• Stąd tylko 1 elektron Michel’a Stąd tylko 1 elektron Michel’a

hep-ex/0602051hep-ex/0602051 5454

Podsumowanie oddz. WS Podsumowanie oddz. WS

wasco_nufact05_20050623wasco_nufact05_20050623 5555

Status Status σσ dla dla

e+ e

K+e+e

KL-e+eMonte Carlo

Intrinsic Intrinsic ee in the beam in the beam

e from decay– Directly tied to the

observed interactionsKaon rates measured in

low energy proton production experiments– HARP experiment (CERN)– E910 (Brookhaven)– MiniBooNE Data

Small intrinsic e rate Event Ratio e/6x10-3

•“Little Muon Counter” measures rate of kaons in-situ

5757

selekcja CC 1selekcja CC 1++



Selekcja CC Selekcja CC ++

Documents

Pomiary oddziaływań w eksperymencie Miniboone