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

Dlaczego badać oscylacje?Dlaczego badać oscylacje?

• Fizyka poza granicami modelu Standardowego!!!

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

łamana w sektorze leptonowym?

1

C. Walter, NuInt07

3

2

1

10-3 eV2

10-5 eV2

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

CHOOZ, neutrina reaktorowe

??108

32252

12

12

eVm

o

KamLand,oraz neutrina słoneczne

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

CHOOZ

Jak oddziałuje neutrino T2KJak oddziałuje neutrino T2K

......

......

...

n

nN

p

p

Xi

i

•Oddziaływania w jądrzemają istotny wpływ na produktykońcowe!!!

0'

16

bozonuwymina : ''

bozonuwymina :

ZXA

WXAO

ii

xi

ix

Oddziaływanie Neutral Current

Oddziaływanie Charged Current

Foton, bozon Z lub WNukleon

N

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 zmodyfikowanych efektami jądrowymi

Xn

Oddziaływania typu •QE•SPP

•Rezonansowe•Nierezonansowe•Koherentne

•Głęboko nieelastyczne

ND 280m

ND 2km Off-Axis

W przyszłości

JHF

SK

295 km

Produkcja neutrin w JHFProdukcja neutrin w JHF

• 50 GeV Proton Synchrotron– 3.3x1014 ppp– Repetition rate: 0.292

Hz– Moc: 0.77 MW, 1021

POT (jeden rok) – 130 dni operacyjnych

• Komora rozpadu pionów: 80 m

Konfiguracja Off-AxisKonfiguracja Off-Axis

OA3o OA2.5o

OA2o

D. Karlen , NuInt05

Dla OA2: Emax=0.75 GEV

SK

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 K2KM. H. Ahn, Phys.Rev. D74 (2006) 072003

Przewidywania dla T2KPrzewidywania dla T2K

kmeV

GeV

E

LmP

2

2232

232 267.1sin2sin1)(

232

232

10

0.1sin

23 eVm

232 2sin

223m

Rekonstrukcja energii na podstawie zdarzeń QE

lll

llQE

PEM

mMEE

cos2

2 2

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

• Pomiar i monitoring kierunku wiązki

ND280

Rozmiar: 3.5x3.6x8m3

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.

ND280

TRACKER

A. Vacheret, NuInt07

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

Wiązka 1021 POT w 1-tonowym FGD.

Przekroje czynne CCPrzekroje czynne CC

M.O. Wascko, NuInt05

Niższe niż się wydawało przekroje czynne!MiniBooNE

Dla T2K, produkcja pojedynczych pionówNastępuje głównie poprzez wzbudzenie Rezonansu (1232).

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– Natura oddziaływań neutrin