neutrino beams
Download
Skip this Video
Download Presentation
Neutrino Beams

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 54

Neutrino Beams - PowerPoint PPT Presentation


  • 216 Views
  • Uploaded on

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.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Neutrino Beams' - lel


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
neutrino beams

Neutrino Beams

present, past and future

M.G.Catanesi

outlook
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

M.G.Catanesi

slide5

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 μs tipico della camere a bolle
    • Fast/Slow : alcune centinaia di rivoluzione nell’SPS spill di qualche ms (chorus/nomad)
    • Slow : 105 giri spill 2s
nnb or wnb
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

M.G.Catanesi

bersagli

Il bersaglio di k2k

Bersagli
  • In tutti I fasci neutrini il primo step e’ costituito dalla produzione di secondari (, κ ) mediante interazione del fascio primario di protoni su un bersaglio
  • Il bersaglio e’ costituito da un insieme di barre cilindriche di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria e’ ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress meccanici e termici dovuti all’intensita’ del fascio primario
  • Il materiale classicamente utilizzato e’ il berillio (wanf al cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu’ recenti utilizzano l’alluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS)
  • Dimensioni tipiche (Wanf 110cm , Miniboone 65 cm, k2k 60cm)

M.G.Catanesi

horns focalizzazione delle particelle secondarie
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

M.G.Catanesi

horns continua
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)

M.G.Catanesi

muon flux
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

M.G.Catanesi

muon flux continua
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

M.G.Catanesi

monitoring allineamento
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

M.G.Catanesi

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

previsione del flusso di neutrini
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

M.G.Catanesi

prodotti secondari
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

M.G.Catanesi

alcune considerazioni generali
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

M.G.Catanesi

slide18

MINOS (Fermilab to Minnesota)

L = 730 km

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

(12 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)
slide19

Numi Target Hall

Alternate Horn Positions

(eg: for off-axis exp’t)

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

flusso atteso di neutrini per k2k

2.0

1.5

2.5

0

0.5

1.0

Flusso atteso di neutrini per k2k

To be measured

by HARP

oscillation

peak

K2K far/near ratio

Beam MC

confirmed by

Pion Monitor

Beam MC

M.G.Catanesi

super beams
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

M.G.Catanesi

slide27

JHF Overview

nm beam of ~1GeV

Kamioka

Super-K: 50 kton

Water Cherenkov

JAERI

(Tokai-mura)

0.75 MW 50 GeV PS

~Mt “Hyper Kamiokande”

4MW 50GeV PS

1st Phase

2nd Phase

  • nm→ nx disappearance
  • nm→ neappearance
  • NC measurement
  • CPV
  • proton decay
slide29

Off Axis Beam (another NBB option)

Far Det.

q

Decay Pipe

Horns

Target

(ref.: BNL-E889 Proposal)

WBB w/ intentionally misaligned beam line from det. axis

Decay Kinematics

  • Quasi Monochromatic Beam
  • x2~3 intense than NBB
slide30

Expected spectrum at JHF

Osc. Prob.=sin2(1.27Dm2L/En)

Dm2=3x10-3eV2

L=295km

nm

osc.max.

OA1°

OA2°

OA3°

~4500 tot int/22.5kt/yr

~3000 CC int/22.5kt/yr

nbb vs off axis
NBB vs Off-Axis

Extremely

High rad.

Environment!

Bending

2Tx4.5m

(1.8Tx5m)

NBB

Kamioka

Target/horn

horn

Side View

OA2deg

M.G.Catanesi

slide32

Detectors

Neutrino spectra at diff. dist

1.5km

295km

0.28km

  • 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 En spectrum as for SK
    • Absolute neutrino spectrum
    • Precise estimation of background
  • Far detector @ 295km
    • Super-Kamiokande (50kt)
    • Hyper-Kamiokande (~1Mt)

M.G.Catanesi

slide33

Off-Axis case for Existing NuMI

NuMI ME Beam

NuMI LE Beam

figures courtesy M.Messier

  • Plots assume current neutrino target, horns.
  • Variable energy beam can help move peaks dynamically
  • Antineutrino running takes factor 3 hit in rate
slide34

Neutrino Factory CERN layout

Harp Data

1016p/s

1.2 1014 m/s =1.2 1021 m/yr

_

0.9 1021 m/yr

m+ e+ne nm

3 1020 ne/yr

3 1020 nm/yr

oscillates ne nm

interacts givingm-

WRONG SIGN MUON

interacts

giving m+

slide35
SPL

300 MeV Neutrinos

small contamination from e (no K at 2 GeV)

HIPPI

M.G.Catanesi

slide36

The Alternative CERN RCS

Scenario for

the 4 MW NF

Proton Driver

M.G.Catanesi

slide37

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 ms.
  • 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.
slide40

Water-cooled granular target

Ta-Spheres, r = 16.8 g/cm

R = 1mm

Packing density ~60% (~140 spheres/cm3)

R = 10g/cm3

Small spheres good for cooling: surface/volume~1.R

Water cooling:v = 6m/s through 20% of cross-section

V = 11l/s

DT =18K (20% of 4MW, S. Gilardoni)

DT =36K

DP =4-5 Bar

Re ~ 104

M.G.Catanesi

neutrino factory
Neutrino Factory

Muon Cooling

M.G.Catanesi

slide50

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

single particle measurements =>

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

SC Solenoids;

Spectrometer, focus pair, compensation coil

Liquid H2 absorbers

TPG

TPG

201 MHz RFcavities

Tracking devices:

Measurement of momentum angles and position

Tracking devices

T.O.F. III

Precise timing

T.O.F. I & II

Pion /muon ID and precise timing

Electron ID

Eliminate muons that decay

slide53

BETA Beam

new idea by P. Zucchelli

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

6He++  6Li+++ ne e-

Q=3.5078 MeV T/2 = 0.8067 s

pure anti-ne beam at  600 MeV

or:

pure ne beam at  600 MeV

oscillation signal: appearance of low energy muons

no opposite charge neutrinos=> no need for magnetic detectors

seems feasible; but cost unknown so far.

Critical: duty cycle. A nice *** idea to be followed up!

slide54

Nuclear Physics

CERN: b-beam baseline scenario

SPL

Decay ring

Brho = 1500 Tm

B = 5 T

Lss = 2500 m

SPS

Decay

Ring

ISOL target & Ion source

ECR

Cyclotrons, linac or FFAG

Rapid cycling synchrotron

PS

ad