Badanie oscylacji neutrin w eksperymencie T2K

1. Badanie oscylacji neutrin w eksperymencie T2K Krzysztof M. Graczyk Instytut Fizyki Teoretycznej Uniwersytet Wrocławski

2. Neutrinowy eksperyment tzw. długiej bazy - drugiej generacji 12 Countries Canada, France, Germany, Italy, Japan,Korea, Poland, Russia, Spain,Switzerland, UK, USA 60 Institutes, 300 Ph.D. members

3. Polska 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

4. C. Walter, NuInt07 10-3 eV2 10-5 eV2 77 lat od hipotezy W. Pauliego -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? lub odwrotna

5. Atmosferyczne Słoneczne Macierz Maki-Nakagawa-Sakata (MNS) Oscylacje neutrin Mieszanina trzech stanów masowych z różnymi fazami

6. Źródło Detektor Model zakładający 3 rodziny (Wynik MiniBooNE)  6 parametrów do wyznaczenia • Dwie różnicę kwadratów mas • Trzy kąty • Jedna faza CP (dla neutrin Diraca) Oscylacje neutrin

7. KamLand, oraz neutrina słoneczne Super-Kamiokande, K2K, MINOS). CHOOZ Jak wyglądają dotychczasowe parametry oscylacji T2K - badamy dwa kąty mieszania Łamanie CP tylko w pomiarze produktów oscylacji

8. O rząd wielkości lepszy pomiar parametrów oscylacji dla nmnt: pomiar deficytu. 20 razy bardziej czuły pomiar oscylacji nmne O kolejny rząd wielkości pomiar nmnt Szukanie łamania symetrii CP w sektorze leptonowym Dokładność pomiarów w T2K Cele T2K

9. CHOOZ

10. T2K C. Juszczak, J.T. Nowak, J.T. Sobczyk, Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:211-216,2006 Rozpraszanie na swobodnym nukleonie • Oddziaływania typu: • QE • Produkcja pojedynczych • pionów SPP • Rezonansowe • Nierezonansowe • Koherentne • nieelastyczne W T2K mamy do czynienia z mieszanką oddziaływań QE, RES oraz niewielki wkład DIS • Efekty jądrowe wpływają znacząco na • kinematykę • przekroje czynne • liczbę stanów końcowych

11. Nukleon Foton, bozon Z lub W p N Jak będzie oddziaływać neutrino w T2K Oddziaływanie ChargedCurrent Wkład aksjalny!!! Oddziaływanie Neutral Current Różne teoretyczne opisy oddziaływania neutrina z jądrem

12. 295 km ND 280m W przyszłości ND 2km Off-Axis SK JHF

13. J-PARC Facility 500 m Neutrino to Kamiokande 3 GeV Synchrotron (25 Hz, 1MW) 50 GeV Synchrotron (0.75 MW) Hadron Beam Facility Materials and Life Science Experimental Facility Nuclear Transmutation Linac (350m) J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex K. Nishikawa, Korea

14. From Linac to 3 GeV From 3 GeV to Materials and Life 3 GeV Extraction Point Middle of Linac Tunnel Neutrino Tunnel 50 GeV Tunnel Upstream of Linac Tunnel JPARC Tunnel Tour

15. Produkcja 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

16. Konfiguracja Off-Axis Wybrano OA 2.5o ND280

17. Spektrum energetyczne wiązki w SK Off-axis: OA2 W maksimum spektrum: ne/nm rzędu 0.2 % nm ne Rozpady z Kaonów

18. Daleki 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.

19. Oczekiwana liczba zdarzeń neutrin dla 3x1021 POT dla pomiaru deficytu nm dla różnych wartości Dm223 z sin22q23=1.0 i sin22q13=0.0, dla 5 lat pracy.

20. A. Vacheret, NuInt07

21. Pomiar deficytu nm • Idea analogiczna jak w K2K • Pomiar profilu energetycznego wiązki nmw ND • Rozpraszanie QE • Odtworzenie wiązki w SK na podstawie ND • Porównanie z mierzoną wiązką w K2K K2K M. H. Ahn, Phys.Rev. D74 (2006) 072003 Rekonstrukcja energii na podstawie zdarzeń QE

22. Przewidywania dla T2K Odejmujemy tło

23. ND280 Pomiar i monitoring kierunku wiązki A. Vacheret, NuInt07

24. Bliski Detektor ND280 • 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 ne - badanie pojawiania się ne

25. TRACKER 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 p0 z oddziaływań typu NC • ECAL (Electromagnetic Calorimeter): pomiar g • SMRD (Single Muon Range Detector): pomiar mionów – wewnątrz luk w magnesie.

26. ND280: Pomiar przekrojów czynnych • Produkcja pojedynczych pionów: • NC1p, CC1p tło dla pomiaru deficytu nm • NC1p0  tło dla pomiaru ne • Pomiar przekrojów czynnych? • Badanie oddziaływań słabych • Badanie struktury nukleonu • Przekroje w małym Q2 Wiązka nm 1021 POT w 1-tonowym FGD.

27. M.O. Wascko, NuInt05 Przekroje czynne dla oddzialywan typu CC Niższe niż się wydawało przekroje czynne! MiniBooNE Przeszacowane przekroje czynne w małym Q2?

28. Przekroje czynne dla oddziaływania typu 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?

29. SPP w procesach typu NC K. M. Graczyk, NuInt07

30. Kilka 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

31. Plan • 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