1 / 45

Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K

Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K. Paweł Przewłocki Warszawska Grupa Neutrinowa. Neutrina. Obrazki z eksperymentów Icarus, MiniBoone, SuperKamiokande, KamLand, Minos. Plan na dziś. Troche fizyki neutrin Jak powinien wyglądać eksperyment neutrinowy A.D. 2007?

galya
Download Presentation

Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K

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. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Optymalizacja detektora SMRD w bliskiej stacji eksperymentu T2K Paweł PrzewłockiWarszawska Grupa Neutrinowa

  2. Neutrina Obrazki z eksperymentów Icarus, MiniBoone, SuperKamiokande, KamLand, Minos

  3. Plan na dziś • Troche fizyki neutrin • Jak powinien wyglądać eksperyment neutrinowy A.D. 2007? • Konkrety, czyli: • Eksperyment T2K • Bliska stacja ND280 • Detektor pozaosiowy • SMRD – scyntylacyjny detektor zasięgu mionów • Optymalizacja SMRD

  4. Oscylacje neutrin • Jeśli neutrina mają masę, możliwa jest zmiana zapachu neutrin. • Przyjmujemy, że stany własne zapachu są pewną kombinacją stanów własnych masy (tu dla dwóch zapachów neutrin): • Stany własne masy propagują się z różną prędkościąn1(t)=n1(0)exp(-iE1t)n2(t)=n2(0)exp(-iE2t)

  5. Eksperymenty słoneczne i reaktorowe: SK SNO Kamland Eksperymenty „atmosferyczne” SK K2K Oscylacje neutrin - eksperymenty

  6. Oscylacje neutrin – stan obecny ZAPACH MASA „atmosferyczne” SK, K2K, MINOS θ23 ≈ 45o|Δm223|~ 2.5×10-3eV2 CHOOZ θ13 < 10o „słoneczne” SNO, KamLand θ12 ≈ 32oΔm212 ~ 8×10-5eV2 • CO JESZCZE DO ZROBIENIA? • dokładniejsze wyznaczenie parametrów oscylacji (np. q13) • hierarchia mas: normalna czy odwrócona ? • d – niezachowanie CP? • neutrina sterylne ?

  7. Najważniejsze pomiary w przyszłości • Absolutna skala mas • Niemożliwa do ustalenia w eksperymentach oscylacyjnych (->podwójny rozpad beta, rozpad trytu) • Łamanie CP w sektorze neutrinowym • Potrzeba dużych statystyk (w tej chwili nieosiągalnych), wiązki neutrin i antyneutrin • Dokładna wartość kątów θ13 i θ23 • Eksperymenty z długą bazą

  8. Pytania: θ23 • sin θ23– czy jest maksymalny? który oktant? • θ23 wyznaczamy w eksperymentach typu ‘znikanie’ • Jeśli θ23 inne niż 45st. mamy dwie możliwości: θ23 lub 90 - θ23 (degeneracja) Jeżeli

  9. Pomiar θ13 (czy jest zero?) • Potrzebujemy: • eksperyment czuły na • L/E ~300 km/GeV • z udziałem reaktorowe, L~1 km ( parę MeV) znikanie L/E ~300 km/GeV akceleratorowe – „long baseline” ( rzędu GeV) pojawianie się:

  10. L/E rzędu 300km/GeV Długa baza Silna wiązka L – 300km -> E koło 1GeV Duży detektor daleki Dobrze znana technika detekcji Detektory poza osią wiązki Monitorowanie wiązki Kontrola tła eksperymentalnego Dodatkowe pomiary wiązki nieoscylowanej Przekroje czynne Budujemy eksperyment:-) Akcelerator, tarcza grafitowa Stacja bliska p p Stacja pośrednia Detektor daleki tunel rozpadowy 0km 300 km

  11. T2K – schemat eksperymentu Akcelerator, tarcza grafitowa Monitor mionów Stacja ND280 n tunel rozpadowy p p q SuperKamiokande Stacja 2km 0m 140m 280m 2 km 295 km ND280 off-axis N-GRID on-axis Start: 2009

  12. T2K – gdzie to jest Kamioka Tokai

  13. Wiązka pozaosiowa (off-axis) ν CMS ν θ π π LAB μ Kirk T. McDonald An Off-Axis Neutrino Beam, 2001.

  14. 41.4m SuperKamiokande (det. daleki) Wodny detektor wykorzystujący zjawisko Czerenkowa 50kton wody, 22.5kton przestrzeni roboczej >11tys PMT Detektor działa w tej chwili niezależnie (neutrina atmosferyczne, słoneczne), działał też jako detektor daleki K2K; od 2009 będzie służył T2K.

  15. Rekonstrukcja SuperKamiokande • Zima i wiosna 2005-06 – uzupełnianie liczby fotopowielaczy Detektor już zbiera dane.

  16. SuperKamiokande po remoncie

  17. Bliski detektor – stacja 280m • Część osiowa • Monitoring wiązki (kierunek, stabilność) • Część pozaosiowa • Pomiar przekrojów czynnych na węglu i wodzie, pomiar strumienia wiązki i jej profilu energetycznego, pomiary tła OA1 OA2 OA3

  18. nm: 170x103 oddz./1021 p/tona ~ 1 przyp. /min./tona ne: 3.34x103 oddz./1021 p/tona ~ 1 przyp/godz./tona ND280 (det. pozaosiowy) • Magnes UA1,B = 0.2 T wzdł. x • det. mionów (SMRD) • Kosz (basket) • P0D:p0z reakcji NC • Tracker:pomiar CC • 3xTPC • 2xFGD • ECAL FGDs:2 x 1.2 t P0D12 ton „fiducial” y z x

  19. SMRD (Side Muon Range Detector) 1C: 53ton16C: 850ton • Poj. pierścień jarzma magnesu posiada szczeliny w 15 warstwach (1.7 cm grubość otworu, 5 cm grubość warstwy żelaza) • W szczelinach będą umieszczone det. scyntylacyjne • Otwory poziome 1.7x87x70cm, pionowe 1.7x87x90cm • W ok. 1000 otworów znajdą się det. (ok. 6 warstw) 90cm • Pionowo: moduły z 4 Sci (0.7x87x~20cm) • Poziomo: moduły z 3 Sci (0.7x87x~20cm) 70cm

  20. SMRD - konstrukcja modułu • 870 x 170 x 7 mm • Scyntylator plastikowy pokryty materiałem odbijającym światło • Swiatłowód WLS (Y11 Kuraray), ~ 2.7 m dł. • Odczyt światła z obu stron (SiPM-y) • W sumie ~8000 kanałów odczytu (całe jarzmo)

  21. SMRD – zadania • pomiar pędu uciekających mionów poprzez pomiar ich zasięgu (pomoc w rek. En), pomoc w rekonstrukcji kierunków torów mionowych • weto dla przypadków wchodzących z zewnątrz • trigger dla mionów kosmicznych do kalibracji wewn. części detektora

  22. SMRD - symulacje • Oficjalna symulacja detektora ND280m (Geant4/ROOT) • Rzeczywista symulacja wiązki • Oddziaływania neutrin w detektorze symulowane za pomocą generatorów oddziaływań neutrin: NUANCE’a i NEUTa Cele symulacji • Jaka jest optymalna konfiguracja modułów SMRD? (ilość warstw w funkcji f oraz z)? • Optymalna ustawienie SMRD względem FGD? • Opracowanie algorytmów rekonstrukcji energii, torów mionów • Określenie poziomu tła • Określenie możliwości kalibracji przy wykorzystaniu mionów kosmicznych

  23. Optymalizacja SMRD • Side Muon Range Detector – mierzy pęd mionów i ich kierunek • Ważne przy badaniu oddziaływań neutrin i mionów kosmicznych (do kalibracji) • Mamy 15 szczelin w które można włożyć paski scyntylacyjne • Ale liczba pasków jest ograniczona (pieniądze!). Dlatego chcemy zoptymalizować ich rozmieszczenie tak, aby uzyskiwać jak najwięcej informacji o mionach.

  24. Pozaosiowy detektor nd280 – widok z boku Pierścienie: 1 2 3 4 5 6 7 8 15 warstw POD TPC TPC TPC

  25. I z przodu Górna część Lewa boczna część Prawa boczna część Dolna część

  26. Co trzeba zrobić • Badamy miony z oddziaływań neutrin • Pomiary mionów dokonywane są głownie przez TPC – SMRD jest ważne w przypadkach, gdy TPC nie jest w stanie dokonać rekonstrukcji (np. ma niewystarczającą ilość informacji) • Pytanie: jaki jest optymalny układ scyntylatorów SMRD aby najlepiej mierzyć miony, które nie są widziane przez TPC? • Przyjrzyjmy się do jakich najdalej warstw scyntylatorów dochodzą miony będące przedmiotem naszego zainteresowania • Narzędzia: • Symulacja Geant4 dla ND280MC • Oddziaływania neutrin: pliki NEUTa na wodzie (na razie)

  27. Najdalsza warstwa w SMRD • 60.000 oddziaływań neutrin w FGD • Cięcie na depozycie energii w scyntylatorze – dobry sygnał to przynajmniej 0.5MeV depozytu • Cięcie na długości toru w TPC – mion nie może przelecieć więcej niż 60cm w TPC (dłuższe tory są rekonstruowane w TPC i nie potrzebują żadnych dodatkowych informacji z SMRD) • Definicja przypadków „QE”: • Jeden mion • Bez pizer • Bez piplusów powyżej 200MeV energii Czasami dzielę SMRD na boczne i górne/dolne części, żeby pokazać wpływ cewki (która zainstalowana jest tylko w górnej i dolnej części kosza)

  28. Zależność od pierścienia Wszystkie przypadki, w pierścieniach: 1,2 3,4 Nr warstwy Nr warstwy 5,6 7,8 Nr warstwy Nr warstwy

  29. Najdalsza warstwa # Zastosowałem selekcję 60cm TPC Czerwone – boczne TPC Czarne – boczne + góra/dół W bocznych partiach więcej mionów Boczne + góra/dół Boczne All # Boczne + góra/dół Boczne Nr warstwy QE Nr warstwy

  30. Najdalsza warstwa – dół i góra # Użyta selekcja 60cm w TPC Tylko górne/dolne części magnesu Czerwone – dolna część Czarne – górna i dolna Dużo więcej torów w dolnej części Nr warstwy

  31. Trochę statystyki • Wszystkie: procenty względem wszystkich przypadków numu CC • QE: procenty względem przypadków numu CCQE

  32. Coś o kalibracji • Wykorzystamy miony kosmiczne do sprawdzania różnych elementów detektora w czasie, gdy nie ma oddziaływań neutrin (pomiędzy impulsami wiązki) • Kalibracja: czy działa, czy daje dobry sygnał, pozycjonowanie detektorów • Na początku brak ECala – tym bardziej istotna rola SMRD • SMRD daje sygnał, że przeszedł mion (wymagamy koincydencji sygnałów ze scyntylatorów na przeciwległych ścianach magnesu) • Częstotliwość takich sygnałów – kilka kHz • Sprawdzamy, czy odpowiednie detektory w środku również dają sygnał • Możemy w ten sposób testować również scyntylatory SMRD

  33. Rozkład energii wchodzącego neutrina Czarna krzywa – wszystkie przypadki Czerwona – z cięciem na 60cm w TPC Niebieska – j.w. + dochodzące do SMRD # All # QE Energia neutrina[MeV] Energia neutrina[MeV]

  34. Problemy z MC (dla urozmaicenia) DStream ECal FGD POD the pion the hit Pion wyprodukowany w FGD trafił do kalorymetru elektromagnetycznego. Wskutek oddziaływania 3 neutrony wyskoczyły w różnych kierunkach. Jeden wpadł do SMRD, wyprodukował proton, który spowodował zaświecenie scyntylatora. Jednak MC przyporządkowało hit pionowi!

  35. Konkluzja – proponowane rozlokowanie modułów • Wstępna propozycja, prace trwają Wstępna tabela przygotowana przez Thomasa Kuttera z LSU Baton Rouge na podstawie analizy, którą tu pokazuję, i innych

  36. Plan na przyszłość • Rozwijanie symulacji • Prace nad rekonstrukcją przypadków • Testowanie scyntylatorów i SiPMów • Instalujemy się w 2009 w Tōkai (東海) • Ja – piszę doktorat:-)

  37. Czym będę się zajmował w tym roku • W eksperymencie T2K badamy m.in. pojawianie się neutrin elektronowych • Sygnatura w SuperK – pierścień elektronopodobny (e-like) • Tło – pizera z oddziaływań NC rozpadające się na dwie gammy. Gdy energia jest odpowiednio duża powstaje pierścień bardzo podobny do elektronowego • Potrzebne oszacowania tego tła

  38. Czym będę się zajmował w tym roku • Do szacowania tła będziemy używać bliskiego detektora pozaosiowego (P0D), a następnie ekstrapolować wyniki do SK • Problem do zbadania – przypadki wielopionowe, w których jeden pion jest widoczny, a pozostałe są pod progiem na emisję światła Czerenkowa • Narzędzie – generator oddz. neutrin Nuance

  39. Dodatkowe

  40. Nasz udział • Listopad 2006 – grupy polskie (Warszawa, Wrocław, Kraków - 6 instytucji, ok. 20 osób) oficjalnym uczestnikiem T2K (stacja nd280) • Nasza grupa będzie brać także udział w eksperymencie NA49-Future (NA61 – SHINE?), którego elementem będzie testowanie tarczy T2K na wiązce w CERNie w celu głębszego zrozumienia wiązki neutrin, jaką będziemy dysponować w T2K • IPJ/UW • Symulacje • Optymalizacja rozlokowania scyntylatorów SMRD w szczelinach • Opracowanie procedury testowania gotowych scyntylatorów (z wklejonym włóknem) • PW • Testowanie SiPMów

  41. Oscylacje – 3 zapachy Zakładając Δ m2sol << Δ m2atm , Δ m213 = Δ m223 = Δ m2atm, Δ m212 = Δ m2sol , δ=0 mamy dwa przypadki: • „atmosferyczny” – małe L/E • „słoneczny” – duże L/E Gdy θ13=0 (a jest na pewno małe), to…wzory redukują się do 2-zapachowych. (CHOOZ)

  42. Produkcja wiązki Tło pochodzi z rozpadów mionów i kaonów: Monitor mionowykontroluje kierunek wiązki poprzez rejestrację wysokoenergetycznych mionów (które nie zdążyły się rozpaść ani nie zostały zaabsorbowane)

  43. Strumień neutrin (OA2) νμ νe OA1 OA2 Wiązka pozaosiowa (off-axis) liczba oddziaływań νμCC OA3 Tło dla oddziaływań neutrin elektronowych pochodzących z oscylacji!

  44. Badanie pojawiania się ve Tu szukamy oszacowania na θ13. • Wybieramy przypadki jednopierścieniowe, typu e • Niepewność w eliminacji tła – 10% • Czułość na sin22θ=0.006 przy 90%C.L.

  45. Incoming nu energy distributions Black – TPC dist cut + reaching smrd Red – at least 4 layers Blue – at least 5 layers Green – at least 6 layers All QE

More Related