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Neutrino Superbeam am LHC

Neutrino Superbeam am LHC. Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer. Inhalt. Überblick über die aktuelle Neutrino Physik Projektmotivation für Superbeam Experimente Aufbau des Experiments Erhoffte Ergebnisse Zusammenfassung. Neutrino-Quellen Stellare Kernfusion

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Presentation Transcript

  1. Neutrino Superbeam am LHC Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer

  2. Inhalt • Überblick über die aktuelle Neutrino Physik • Projektmotivation für Superbeam Experimente • Aufbau des Experiments • Erhoffte Ergebnisse • Zusammenfassung

  3. Neutrino-Quellen • Stellare Kernfusion • Radioaktive Zerfälle • Reaktorneutrinos • Hintergrundstrahlung • Atmosphärische Schauer • Supernovae • AGN • Quasare • Bilden den Background bei Beschleuniger Experimenten können über ihre Energien,Flüße und Richtung bestimmt werden

  4. Neutrino-Quellen Neutrino-Quellen Inverser b-Zerfall b-Zerfall Electroncapture m-b-Zerfall P--Zerfall CC-Scattering m-ß-Zerfall L-Zerfall

  5. 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

  6. Neutrino-oscillation • Solares Neutrinodefizit • Tag-und Nachtdifferenz • Athmospherisches Defizit • Solares SM überprüft Solare NeutrinosL = 108 kmE =0.3 to 15 MeV Dm2 ~ 2-8 10-5 eV2ProbOSC = ~100% Atmospheric NeutrinosL = 15 to 12,000 kmE =300 to 2000 MeV Dm2 ~ 1- 7 10-3 eV2ProbOSC = ~100%

  7. 2 Flavor-Neutrino oscillation

  8. 3 Flavor-Neutrino oscillation 3 Flavor-Neutrino oscillation 3 Flavor-Neutrino oscillation

  9. Oscillation Oscillationswahr- scheinlichkeit als Funktion der Mischungswinkel Es werden große Mischungswinkel bevorzugt vermutet Da auch das Vor- zeichen der Massendifferenz Dm223 ist nicht be- kannt ist, sind beide Fälle für LMA aufgetragen. Dies ist mit unter das Ziel der Superbeam- projekt, das Vorzeichen von Dm223 zu bestimmen.

  10. Oscillation Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 130Km Entfernung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 0.250 GeV Neutrino- energie Geringe Auflösung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 0.250 GeV Neutrino- energie Hohe Auflösung

  11. Die Bedeutung der Beschleuniger experimente Zur Erforschung der 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

  12. Neutrino-Experimente

  13. Überblick der Ergebnisse aus Neutrino - Experimenten Exclusionplot: Die Werte der Massendifferenzen sind so klein daß Experimentelle Daten immer nur eine Beschränkung liefern können. Neuere Experimente müßen auf diesen Daten aufbauen und die sensitivität wird jeweils verbessert.

  14. Neutrino-Beamprojekte am CERN • ICARUS • OPERA • SUPER-BEAM • ß-BEAM • NEUTRINO-FACTORY

  15. Superbeam Neutrinostrahl

  16. Neutrino Quelle LHC

  17. Beamhorn

  18. Beamtargetsysteme Herkömmliche Targets wie z.B. aus Eisen-Kupfer halten den zukünftigen thermischen und radioaktiven Und mechanischen Belastungen nicht mehr stand. Sie müßten in relativ kurzer Zeit erneuert werden (Kostenfaktor). Alternative Systeme sind Granulares gekühltes Target Es ist austauschbar ist allerdings aufwendig Die andere Methode: Zirkulierendes Quecksilbertarget der Austausch ist einfacher. Kühlung nicht notwendig. Äußeres Magnetfeld muß das Hg fokusieren. Entsorgung nicht einfach. Eisen-Kupfer Target Granulares Target mit äußerem Kühlsystem

  19. Quecksilberstrahltarget

  20. Neutrino Hg-Beamtarget Simulation der Stabilisation durch Magnetfeld Strahlverformung nach erstem bunch Strahlverformung durch Wechselwirkung mit dem Protonenstrahl ohne äußeres Magnetfeld

  21. Offaxis reduziert die • Beam-energie • Scharfes Energie- • spektrum • Reduktion der Hoch- • energetischen Hinter- • gundstrahlung • Energie für • maximales Oscill- • ationssignal wählbar Detector q Decay Pipe Target Horns Off-Axis Beam

  22. Detektor Wahl zwischen Wasser Cherenkov Detektor und Scintillations Detector vom MiniBoontyp Der Wasser Cherenkov Detektor vom SuperK typ wird aus Kostengründen bevorzugt aus physikalischer Sicht sind sie nahe zu equivalent. Es ist auch eine bewährte Technik.

  23. Detektor Wasser Cherenkov Detektor Geplanter Standort Frejus Unterdrundlabor Baseline 130 Km 60x60x60m3x3 Total Vol. 650 kton Fid.Vol 440 kton =20xSuperK 56 000 20“ PMTs 14 000 14“ PMTs Optische Separation

  24. Detektor

  25. Detektor Simulation eines 1GeV electronneutrinos und 1GeV muonneutrinos Die Herausforderung ist die genaue Zuordnung der Events und die Hintergrundreduktion p0or e?

  26. Ende... the absence of evidence is no evidence of absence J.Reese

  27. ANHANG

  28. 3 Flavor-Neutrino oscillation Neutrinomassen sind zu klein um direkt gemessen werden zu können. Es wird versucht ihre Massendifferenz über die Osszillationwahrscheinlichkeit zu messen. Die Massenhierarchie ist jedoch noch nicht geklärt n2 n1 Dm212= 3 10-5 - 1.5 10-4 eV2 n3 n3 Dm223= 3 10-3eV2 n2 n1 q23(atmos) = 450 q12(solar) = 300 q13(Chooz)< 130

  29. Untersuchungsmethoden • Shortbaseline Experimente • Longbaseline Experimente • Reaktorexperimente • Doppelbetazerfall • Appearance Experimente • Disappearance Experimente

  30. Neutrinofragen • Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse) • Majorana- oder Dirac-Teilchen? • Bestimmung der Oscillationsparameter q13 und ± Dm23 • Bestimmung der Masse und deren Hierarchie

  31. ANHANG (anti-v) mit

  32. Neutrinofragen • Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)

  33. Zukunftige Neutrinoprojekte Im Bau /Genehmigt

  34. Neutrino-Beamprojekte in Konstruktion • Opera • Icarus • Minos • MiniBoone

  35. CNGS Neutrinostrahl

  36. CNGS • Neutrinostrahl

  37. KATHODE PMT DRIFTKAMMER MIT 600 TONNEN FLÜSSIGEM ARGON 3-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 IONISATIONSSPUR i 0 + v – V - 0 + E v + – d

  38. Det. 2 Det. 1 MINOS MITTLERE ENERGIEvµ : 3 bis 18 GeV VERUNREINIGUNG MITve < 1% FERN DETEKTOR: 486 STAHLPLATTEN 5.4 TONNEN NAHDETEKTOR: 282 STAHLPLATTEN 980 TONNEN 3.8 * 4.8 m OKTAGON KALIBRATION BEIDER DETEKTOREN MIT KOSMISCHER STRAHLUNG STAHL SCINTILLATIONS KALOROMETER 2,54 CM STAHL ABSORBER MIT 1,5T MAGNETFELD POLYSTEREN-SCINTILLATONSSTREIFEN (1CM DICK 4CM BREIT ) Graphit Target Winkel 58 mrad Absorber Halle Nah-Detektor MISST ENERGIE SPEKTRUM ve CONTAMINATION PROTONEN ENERGIE: 120 GeV INTENSITÄT 4*10 p/spill 3,8*10 p/Jahr 13 20

  39. Neutrinofactory Neutrinos aus einem einem Myonenspeichering Myonen aus Pionenzerfall schwierig ist die Myonen zu Speichern Kühlung und Magnetfeld nötig

  40. ß-Beam Neutrinostrahl gewonnen aus beschleunigten radioactiven Ionen Reiner Neutrinoflavour strahl; bekanntes Energiespektrum und Intensität Bessere Hinter grundreduktion Bestimmung der CP- Verletzungsphase d und Mischungswinkel q13 Complementaire zum Superbeam Oxide fiber target

  41. Zusammenfassung • Neutrinobeam • ß-Beam • Neutrinofactory

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