neutrino beams

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29/04/2004 M.G.Catanesi 1 Neutrino Beams present, past and future

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Neutrino Beams. present, past and future. Outlook. WANF CNGS NUMI. “Traditional” Neutrino Beams (   , κ    μ  e ) Narrow beams (NNB) Wide Band (WNB) Super Beams Off-Axis Neutrino –Factories ( μ  ->  μ  e ) Beta Beams. K2K Miniboone. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Neutrino Beams

29/04/2004 M.G.Catanesi 1

Neutrino Beams

present, past and future

Page 2: Neutrino Beams

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Outlook ““Traditional” Neutrino BeamsTraditional” Neutrino Beams

( ( , , κκ μμ ee)) Narrow beams (NNB)

Wide Band (WNB) Super BeamsSuper Beams

Off-Axis

Neutrino –Factories (Neutrino –Factories (μμ -> -> μμ ee) ) Beta BeamsBeta Beams

WANF WANF CNGSCNGSNUMINUMI

K2KMiniboone

Page 3: Neutrino Beams

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A little bit of history : CERN 1960

Page 4: Neutrino Beams

Layout of a “standard” neutrino beams

Page 5: Neutrino Beams

Fasci primari

• Metodi di estrazione del fascio di protoni

•Fast : protoni che hanno percorso una sola volta l’SPS con una durata dell’impulso (spill) di qualche μμs s tipico della camere a bolle

•Fast/Slow : alcune centinaia di rivoluzione nell’SPS spill di qualche ms (chorus/nomad)

•Slow : 105 giri spill 2s

Page 6: Neutrino Beams

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NNB or WNB ? Se non viene effettuata nessuna selezione in

impulso dei secondari si parla di WNB I fasci NNB comportano una drastica diminuzione

dell’intensita’ dei neutrini prodotti. Sono da preferire solo se una selezione sull’energia dei neutrini e’ importante

Page 7: Neutrino Beams

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Bersagli In tutti I fasci neutrini il primo step e’ costituito dalla

produzione di secondari (, , κκ ) mediante interazione ) mediante interazione del fascio primario di protoni su un bersagliodel fascio primario di protoni su un bersaglio

Il bersaglio e’ costituito da un insieme di barre cilindriche Il bersaglio e’ costituito da un insieme di barre cilindriche di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria e’ ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress e’ ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress meccanici e termici dovuti all’intensita’ del fascio meccanici e termici dovuti all’intensita’ del fascio primarioprimario

Il materiale classicamente utilizzato e’ il berillio (wanf al Il materiale classicamente utilizzato e’ il berillio (wanf al cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu’ recenti cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu’ recenti utilizzano l’alluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS)utilizzano l’alluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS)

Dimensioni tipiche (Wanf 110cm , Miniboone 65 cm, k2k Dimensioni tipiche (Wanf 110cm , Miniboone 65 cm, k2k 60cm) 60cm)

Il bersaglio di k2k

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HORNs: Focalizzazione delle particelle secondarie

L’horn non e’ nient’altro che una lente magnetica Nell’horn le particelle sono deflesse da un campo

magnetico radiale realizzato da 2 conduttori coassiali lungo i quali fluiscono correnti di uguale intensita’ ma di direzioni opposte

Il profilo interno dell’horn puo’ essere dedotto imponendo la condizione di emissione parallela

Valori tipici al CERN-Wanf :

100KA, 65GeV , 8 gradi

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Horns:continua…

L’Horn e’ un magnete impulsato con il massimo in coincidenza col passaggio dei protoni

La corrente e la distanza dal bersaglio possono essere variate per ottimizzare le caratteristiche del fascio neutrino desiderato

Naturalmente invertire la polarita’ nell’horn corrisponde a selezionare particelle negative (antineutrini)

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CERN-WANF 1993 :esempio di ottimizzazione

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muon flux

•Il flusso dei muoni e’ valutato usando diodi al silicio

•Il segnale raccolto su ogni diodo e’ proporzionale al flusso di muoni

• Fμ = Sd x (Vs – V0)/G

•Speciali diodi di riferimento permettono l’intercalibrazione dei detectors

•Speciali runs con emulsioni nucleari permettono lavalutazione assoluta del flusso

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Muon flux: continua…

• Flusso su singoli diodi

•Profilo laterale del flusso di muoni

• Profilo bidimensionale

• Dipendenza del flusso di muoni dalla posizione lungo la linea di fascio

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Monitoring & allineamento * Il monitoring di un

fascio neutrino e’ un elemento fondamentale per il suo funzionamento

Viene normalmente fatto verificando il centramento e l’intensita’ del fascio di protoni incidenti (BcTs et.c.) e verificando il profilo e l’intensita’ dei muoni

* The Alignment of the CERN West Area Neutrino Facility – Yellow Report – 96/06

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Previsione del flusso di neutrini Per conoscere il flusso

di neutrini e la sua composizione e’ necessario conoscere la quantita’ e lo spettro dei secondari prodotti nel bersaglio

Per valutare questo elemento che difficilmente puo’ essere misurato in situ si utilizzano normalmente varii generatori MC

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Prodotti secondari:

Spesso la mancanza di dati sperimentali e le differenze nei modelli adronici utilizzati rende la previsione del flusso di neutrini all’esperimento estremamente difficile

Per evitare quella che in molti casi rappresenta una delle sorgenti principali di errore sistematico gli esperimenti neutrino si sono avvalsi di esperimenti ancillari di adroproduzione per coprire la mancanza di conoscenza sulla produzione di secondari

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Esperimenti di adroproduzione

Experiment Proton E Some H.P. exp

ref

Ps169, Ps180, Ps181

~ 20GeV Allaby et al.Eichten et al.

CERN 70-12N.P. B44 (1972)

CDHS, CHARM, BEBC

~400GeV NA20 (Atherton) CERN 80-07

CHORUS, NOMAD, CNGS

~400GeV NA56/SPY SPSC 96-01

K2K, MiniBooNE 12.9 GeV, 8GeV HARP CERN- ps214

NuFact/SuperBeam designs

~2GeV HARP ==

Atm. Neutrinos >10GeV HARP/NA49 CERN- ps214SPSC 2001-017

MINOS 120GeV HARP/NA49FNAL E907

SPSC 2001-017

Page 17: Neutrino Beams

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Alcune considerazioni generali……...

Il fascio neutrino per la sua complessita’ e interdipendenza e’ sempre stato considerato parte integrante degli esperimenti.

Se il fascio e’ parte dell’esperimento anche la sua calibrazione e caratterizzazione naturalmente lo e’

Anche per questo motivo negli ultimi tempi si e’ assistito a un interesse diretto degli esperimenti neutrino nelle misure di adroproduzione e non solo

Infatti la comunita’ e’ sempre particolarmente attiva nello sviluppo di idee per i nuovi fasci neutrino del futuro in sinergia con i gruppi di fisica degli acceleratori

Page 18: Neutrino Beams

•NuMI has 400kW primary proton beam 120 GeV 8.67 sec spill 1.9 sec rep rate

MINOS (Fermilab to Minnesota)

L = 730 km

•Beam Axis 3.32o into the ground at FNAL, exits at Canadian border.•2o off-axis in southern Canada or northern Wisconsin (L = 530 – 950 km)

(12 km)

Page 19: Neutrino Beams

Numi Target Hall

Beamline Component Positioning Modules

Two Types of Magnetic Focusing Horns

Pion Production Target (plus readout of target, vacuum pump)

Baffle to protect horn from beam accidents

Target Hall Radiation Shielding Radioactivated component work cell

Alternate Horn Positions(eg: for off-axis exp’t)

Page 20: Neutrino Beams

Minos Horn 1 Prototype

0

1,000,000

2,000,000

3,000,000

4,000,000

5,000,000

Mar-97

Apr-97

May-97

J un-97

J ul-97

Aug-97

Aug-97

Sep-97

Oct-97

Nov-97

Dec-97

J an-98

Feb-98

Mar-98

Date(Runs nights and weekends only)

puls

es a

t 20

0 kA

Test Power Supply, 0.85 ms pulse

Production Power Supply, 2.7 ms pulse, 205 kA peak

Wat

er li

ne fi

xtur

e fr

actu

re

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Fasci tradizionali di bassa energia:Il fascio neutrino di k2k

Page 22: Neutrino Beams

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Flusso atteso di neutrini per k2k

K2K

far

/nea

r ra

tio

K2K

far

/nea

r ra

tio

Beam MC Beam MCconfirmed byPion Monitor

To be measured To be measured by HARPby HARP

0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

oscillationoscillationpeakpeak

Page 23: Neutrino Beams

Il complesso del Fermilab

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Fasci tradizionali di bassa energia:Miniboone at FNAL

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Super Beams

Fasci Tradizionali ma ad alta intensita’

JHF (1MW ) (Minos-Off-Axis) Non richiedono upgrade tecnologici

sostanziali per bersagli e horns

SPL (4MW) Primo step della neutrino factory richiede

upgrade tencnologici importanti

Page 27: Neutrino Beams

JHF Overview JHF Overview

beam of ~1GeV

Kamioka

JAERI(Tokai-mura)

→ → xx disappearance

→ → ee appearanceNC measurement

0.75 MW 50 GeV PS

Super-K: 50 ktonWater Cherenkov

~Mt “Hyper Kamiokande”

4MW 50GeV PS

CPVproton decay

1st Phase2nd Phase

Page 28: Neutrino Beams

JHF Complex

Page 29: Neutrino Beams

Off Axis Beam (another NBB option)

WBB w/ intentionally misaligned beam line from det. axis

(ref.: BNL-E889 Proposal)

Target Horns Decay Pipe

Far Det.

Decay Kinematics

Quasi Monochromatic Beamx2~3 intense than NBB

Page 30: Neutrino Beams

Expected spectrum at JHF

~4500 tot int/22.5kt/yr~3000 CC int/22.5kt/yr

OA3°OA2°OA1°

Osc. Prob.=sin2(1.27m2L/E)

m2=3x10-3eV2

L=295km

osc.

max

.

Page 31: Neutrino Beams

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NBB vs Off-Axis

Bending2Tx4.5m(1.8Tx5m)

1°2°

Kamioka

OA2deg

NBB

horn

ExtremelyHigh rad.Environment!

Target/horn

Side View

Page 32: Neutrino Beams

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Detectors

Muon monitors @ ~140m Behind the beam dump Fast (spill-by-spill) monitoring of beam

direction/intensity

First Front detector “Neutrino monitor” @280m

Neutrino intensity/direction Study of neutrino interactions

Second Front Detector @ ~2km Almost same E spectrum as for SK Absolute neutrino spectrum Precise estimation of background

Far detector @ 295km Super-Kamiokande (50kt) Hyper-Kamiokande (~1Mt)

1.5km

295km

0.28km

Neutrino spectra at diff. dist

Page 33: Neutrino Beams

Off-Axis case for Existing NuMI

Plots assume current neutrino target, horns. Variable energy beam can help move peaks

dynamically Antineutrino running takes factor 3 hit in rate

NuMI ME BeamNuMI ME BeamNuMI LE BeamNuMI LE Beam

figures courtesy M.Messier

Page 34: Neutrino Beams

Neutrino Factory CERN layout

e+ e

_

interacts

giving

oscillates e

interacts giving

WRONG SIGN MUON

1016p/s

1.2 1014 s =1.2 1021 yr

3 1020 eyr

3 1020 yr

0.9 1021 yr

Harp Data

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SPL

HIPPI

300 MeV Neutrinossmall contamination from e (no K at 2 GeV)

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The Alternative The Alternative CERN RCS CERN RCS Scenario for Scenario for the 4 MW NF the 4 MW NF Proton DriverProton Driver

Page 37: Neutrino Beams

CERN reference scenario In order to produce 1021 neutrinos/year proton beams with

a power of 1-4 MW needs to interact with a high Z target.

Proton energy 2.2 GeV. Repetition rate 50 Hz Pulse duration 3.3 s. Pulse intensity 1.5 1014/pulse Average beam power 4 MW Target absorbed power 1 MW Liquid Hg-jet target Diam. 10 mm Pion collection by means of a magnetic horn.

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The Target: The liquid Hg option

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Water-cooled granular target

Ta-Spheres, = 16.8 g/cmR = 1mmPacking density ~60% (~140 spheres/cm3)R = 10g/cm3

Small spheres good for cooling: surface/volume~1.RWater cooling:v = 6m/s through 20% of cross-sectionV = 11l/sT =18K (20% of 4MW, S. Gilardoni)T =36KP =4-5 BarRe ~ 104

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La proposta americana: solenoide da 20T

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Neutrino Factory

Muon Cooling

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Page 48: Neutrino Beams
Page 49: Neutrino Beams

Espe

rim

ento

rec

ente

men

te

appr

ovat

o al

RAL

Page 50: Neutrino Beams

Tracking devicesTracking devices

T.O.F. IIIT.O.F. IIIPrecise timingPrecise timing

Electron IDElectron IDEliminate muons that decay Eliminate muons that decay

Tracking devices: Tracking devices: Measurement of momentum angles and positionMeasurement of momentum angles and position

T.O.F. I & IIT.O.F. I & II

Pion /muon ID and precise timingPion /muon ID and precise timing

10% cooling of 200 MeV muons requires ~ 20 MV of RF

single particle measurements =>

measurement precision can be as good as out/ in ) = 10-3

201 MHz RF cavities

Liquid H2 absorbersSC Solenoids;Spectrometer, focus pair, compensation coil

TPG TPG

Page 51: Neutrino Beams

Scenario alternativo proposto dai giapponesi

Page 52: Neutrino Beams
Page 53: Neutrino Beams

BETA Beamnew idea by P. Zucchelli

produce 6He++, store, accelerate (100 GeV/u), store

Q=3.5078 MeV T/2 = 0.8067 s

pure anti-e beam at 600 MeV

or: eFNe e

189

1810 pure e beam at 600 MeV

oscillation signal: appearance of low energy muons no opposite charge neutrinos=> no need for magnetic detectorsseems feasible; but cost unknown so far. Critical: duty cycle. A nice *** idea to be followed up!

6He++ Li+++ e e

Page 54: Neutrino Beams

CERN: -beam baseline scenario

PS

Decay

RingISOL target & Ion source

SPL

Cyclotrons, linac or FFAG

Decay ring

Brho = 1500 Tm

B = 5 T

Lss = 2500 m

SPS

ECR

Rapid cycling synchrotron

MeV 86.1 Average

MeV 937.1 Average

189

1810

63

62

cms

cms

E

eFeNe

E

eLiHe

Nuclear Physics

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