Neutrino beams
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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.

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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


A little bit of history cern 1960

A little bit of history : CERN 1960

M.G.Catanesi


Neutrino beams

Layout of a “standard” neutrino beams


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 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


Cern wanf 1993 esempio di ottimizzazione

CERN-WANF 1993 :esempio di ottimizzazione

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


Esperimenti di adroproduzione

Esperimenti di adroproduzione

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


Neutrino beams

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)


Neutrino beams

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


Neutrino beams

Minos Horn 1 Prototype


Fasci tradizionali di bassa energia il fascio neutrino di k2k

Fasci tradizionali di bassa energia:Il fascio neutrino di k2k

M.G.Catanesi


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


Neutrino beams

Il complesso del Fermilab


Fasci tradizionali di bassa energia miniboone at fnal

Fasci tradizionali di bassa energia:Miniboone at FNAL

M.G.Catanesi


Neutrino beams

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


Neutrino beams

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


Neutrino beams

JHF Complex


Neutrino beams

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


Neutrino beams

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

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Neutrino beams

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


Neutrino beams

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


Neutrino beams

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+


Neutrino beams

SPL

300 MeV Neutrinos

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

HIPPI

M.G.Catanesi


Neutrino beams

The Alternative CERN RCS

Scenario for

the 4 MW NF

Proton Driver

M.G.Catanesi


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 ms.

  • Pulse intensity1.5 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.


The target the liquid hg option

The Target: The liquid Hg option

M.G.Catanesi


Neutrino beams

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


La proposta americana solenoide da 20t

La proposta americana: solenoide da 20T

M.G.Catanesi


Neutrino factory

Neutrino Factory

Muon Cooling

M.G.Catanesi


Neutrino beams

M.G.Catanesi


Neutrino beams

Esperimento recentemente approvato al RAL


Neutrino beams

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


Neutrino beams

Scenario alternativo proposto dai giapponesi


Neutrino beams

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!


Neutrino beams

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


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