Oscylacje neutrin i antyneutrin w eksperymencieMINOS

Katarzyna Grzelak

Zakład Czastek i Oddziaływan FundamentalnychIFD UW

11.03.2011

K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 45

PLAN

1 Wprowadzenie

2 Wiazka neutrin NuMI

3 Eksperyment MINOS

4 Oscylacje neutrin/antyneutrin akceleratorowych w MINOS’ie

K.Grzelak (UW ZCiOF) 2 / 45

Wstep

MINOS: eksperyment zbudowany w celu potwierdzenia hipotezyoscylacji neutrin i precyzyjnego zmierzenia parametrów modeluoscylacjiUnikalny eksperyment, pozwalajacy na bezposrednie porównanieoscylacji neutrin i antyneutrinKontrolowana wiazka neutrin z akceleratora (zródło wiazki wosrodku Fermilab pod Chicago)Pierwsze oddziaływanie neutrina z wiazki w dalekim detektorze:7 marzec 2005

K.Grzelak (UW ZCiOF) 3 / 45

MACIERZ MIESZANIA DLA NEUTRIN

Trzy zapachy neutrin jako kombinacjatrzech stanów własnych masy. νe

νµντ

=

Ue1 Ue2 Ue3Uµ1 Uµ2 Uµ3Uτ1 Uτ2 Uτ3

ν1ν2ν3

(

νeνµντ

)=

1 0 00 c23 s230 −s23 c23

︸ ︷︷ ︸

c13 0 s13e−iδ

0 1 0−s13eiδ 0 c13

︸ ︷︷ ︸

c12 s12 0−s12 c12 0

0 0 1

︸ ︷︷ ︸

ν1ν2ν3

neutrina poszukiwane deficyt

atmosferyczne neutrin słonecznych

K.Grzelak (UW ZCiOF) 4 / 45

BADANIE ZJAWISKA OSCYLACJIW EKSPERYMENTACH AKCELERATOROWYCH Z DŁUGA BAZA

Parametry modelu oscylacji neutrin: 3 katy mieszania θ23, θ13 iθ12, 1 faza δ i dla trzech rodzajów neutrin 2 niezalezne róznicemas ∆m2. (∆m2

kj ≡ m2k −m2

j )

Obserwacje znikania neutrin mionowych

P(νµ → νµ) ' 1− sin2 2θ23 sin2 1.27∆m2atmL

Eν

[GeV]νE0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

) µν → µν

P(

0.2

0.4

0.6

0.8

1

sin 2 θ2

∆2m

Jednostki:∆m2[eV 2]Eν [GeV ]L[km]

K.Grzelak (UW ZCiOF) 5 / 45

WIAZKA NEUTRIN NuMI

K.Grzelak (UW ZCiOF) 6 / 45

WIAZKA NEUTRIN NuMI

Protony o energii 120 GeV z akceleratora Main Injector wFermilabie

K.Grzelak (UW ZCiOF) 7 / 45

WIAZKA WTÓRNA - MOD NEUTRINOWY

K.Grzelak (UW ZCiOF) 8 / 45

WIAZKA WTÓRNA - MOD ANTYNEUTRINOWY

K.Grzelak (UW ZCiOF) 9 / 45

STATYSTYKA

Przeanalizowanedane:

7.2× 1020pot(neutrina)3.2× 1020pot(antyneutrina,wiazkaneutrinowa)1.7× 1020pot(antyneutrina,wiazkaantyneutrinowa)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 10 / 45

EKSPERYMENT MINOS

K.Grzelak (UW ZCiOF) 11 / 45

WPROWADZENIE

Eksperyment MINOS:29 instytucji, 125 fizykówInstytucje: Argonne, Athens, Brookhaven,Caltech, Cambridge, Campinas, Fermilab,Goias, Harvard, Holy Cross, IIT, Indiana,Iowa, Minnesota, Minnesota-Duluth,Otterbein, Oxford, Pittsburgh, Rutherford,Sao Paulo, South Carolina, Stanford,Sussex, Texas A&M, Texas-Austin, Tufts,UCL, Uniwersytet Warszawski,William&Mary

K.Grzelak (UW ZCiOF) 12 / 45

WPROWADZENIE

MINOS

700m

735km

10kmFermilab, Illinois Soudan, MinnesotaBliski Detektor Daleki Detektor

Eksperyment MINOS:kontrolowana wiazka neutrin z akceleratoradwa podziemne detektory w odległosci 735km (czas przelotuneutrina pomiedzy detektorami: ∼ 2.5ms ):

Bliski Detektor (ND) (1kt) w osrodku Fermilab pod ChicagoDaleki Detektor (FD) (5.4 kt) w kopalni Soudan, w Minnesocie

K.Grzelak (UW ZCiOF) 13 / 45

POŁOZENIE DETEKTORÓW

Daleki Detektor(FD)→poszukiwanieoscylacjiBliski Detektor(ND)→ widmoenergiiniezakłóconeprzez oscylacje L[km]

-110 1 10 210 310

) µν → µν

P(

0.2

0.4

0.6

0.8

1

� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �� � � � � �

� �� �� �� �� �Bliski detektor

Daleki detektor

K.Grzelak (UW ZCiOF) 14 / 45

MINOS: BLISKI I DALEKI DETEKTOR

ND FD

K.Grzelak (UW ZCiOF) 15 / 45

MINOS: BLISKI I DALEKI DETEKTOR

PMT M16 (FD) PMT M64 (ND)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 16 / 45

RODZAJE ODDZIAŁYWAN NEUTRIN w MINOS’ie

νµN → µXSygnatura oddziaływania CCνµ jest obecnosc toru mionuEν = Eshower + Eµ

K.Grzelak (UW ZCiOF) 17 / 45

TOPOLOGIE PRZYPADKÓW Z WIAZKI NuMI

Monte Carlo, Daleki Detektor

CC νµ NC CC νe

K.Grzelak (UW ZCiOF) 18 / 45

ZANIKANIE νµ Z WIAZKI

K.Grzelak (UW ZCiOF) 19 / 45

PRZYKŁAD ANALIZY ZANIKANIA νµ

Symulacja Monte Carlo

K.Grzelak (UW ZCiOF) 20 / 45

SELEKCJA PRZYPADKÓW CC νµ 2008

1 Czas rejestracji oddziaływania zgodny z czasem wiazki NuMI2 Co najmniej jeden dobrze zrekonstruowany tor (kandydat na mion)3 Wierzchołek oddziaływania w wiarygodnym obszarze detektora

(fiducial volume):

4 Miony z ujemnym ładunkiem (wybór νµ)5 Ciecie na parametrze PID (Particle IDentification), uzywanym do

selekcji oddziaływan NC i CC - algorytm kNN(k-NearestNeighbours)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 21 / 45

SELEKCJA PRZYPADKÓW CC νµ 2011 - GŁÓWNEZMIANYw stosunku do analizy z 2008 roku

1 poprawa rozdzielczosci energetycznej dla kaskad hadronowych zprzedziału 1-1.5 GeV z 55% na 43%.

2 Tory nie musza miec zrekonstruowanego ujemnego ładunku(odzyskiwanie niskoenergetycznych przypadków)

3 Dodana dodatkowa klasa oddziaływan (zwieksza dwukrotniestatystyke) z wierzchołkami z mniej wiarygodnego obszarudetektora i z otaczajacej skały.

K.Grzelak (UW ZCiOF) 22 / 45

WIAZKA WTÓRNA - LICZBA PRZYPADKÓW CC νµW CZASIE

Skok zwiazany z wypełnieniem rury rozpadowej helem.

K.Grzelak (UW ZCiOF) 23 / 45

WIAZKA WTÓRNA - STABILNOSC WIAZKINEUTRINOWEJ

K.Grzelak (UW ZCiOF) 24 / 45

WIAZKA WTÓRNA - WIDMA UZYWANYCH WIAZEKNEUTRINOWYCH

K.Grzelak (UW ZCiOF) 25 / 45

Bliski Detektor (ND)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 26 / 45

BLIND ANALYSIS

Wszystkie kryteria selekcji przypadków i procedury przeprowadzaniaanalizy zdefiniowane bez dostepu do pełnych danych z DalekiegoDetektora

K.Grzelak (UW ZCiOF) 27 / 45

Daleki Detektor (FD)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 28 / 45

Daleki Detektor (FD)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 29 / 45

Wyniki dla całkowicie i czesciowozrekonstruowanych przypadków

∆m223 = (2.32+0.12

−0.08)× 10−3eV 2

sin2 2θ23 = 1.00 (najlepszedopasowanie)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 30 / 45

Wyniki

K.Grzelak (UW ZCiOF) 31 / 45

Wyniki dla wszystkich przypadków

Porównanie liczb przypadków (FD) przewidywanych (brak oscylacji) iobserwowanych.

Wiazka POT Teoria Pomiar(1020) (bez oscylacji)

czesciowo całkowicie czesciowo całkowiciezrekonstru- zrekonstru- zrekonstru- zrekonstru-

owane owane owane owaneLE (I) 1.269 426 375 318 357LE (II) 1.943 639 565 511 555LE (III) 3.881 1252 1130 1037 977

HE 0.153 134 136 120 128Suma 7.246 2451 2206 1986 2017

K.Grzelak (UW ZCiOF) 32 / 45

Błedy systematyczne

Główne zródła błedów systematycznych:dla ∆m2:

energia kaskady hadronowejenergia mionu (zasieg 2%, krzywizna 3%)wzgledna normalizacja pomiedzy detektorami (1.6%)

dla sin2 2θ23tło od oddziaływan NC (20%)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 33 / 45

Wyniki dla wszystkich przypadków

K.Grzelak (UW ZCiOF) 34 / 45

ZANIKANIE νµ Z WIAZKI

K.Grzelak (UW ZCiOF) 35 / 45

RÓZNICE POMIEDZY ANALIZA dla νµ i νµ

Analiza jak dla νµ w 2008 rokuMniejsza statystykaPotencjalnie wieksze tłoOddziaływania sa mniej hadronowe (rozkład y)Błedy systematyczne bardzo podobne do analizy dla νµ(dodatkowa niepewnosc w zwiazku z tłem od oddziaływan cc-νµ)Dominuja błedy statystyczne

K.Grzelak (UW ZCiOF) 36 / 45

Bliski Detektor (ND)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 37 / 45

Daleki Detektor (FD)

Wybranezostały tylkoprzypadki zdodatnimmionem(Q/P>0)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 38 / 45

Daleki Detektor (FD)

K.Grzelak (UW ZCiOF) 39 / 45

Wyniki

∆m223 = (3.36+0.46

−0.40(stat .)± 0.06(syst .))× 10−3eV 2,sin2 2θ23 = 0.86± 0.11(stat .)± 0.01(syst .)Zaobserwowano 97 przypadków. W przypadku braku oscylacjipowinno byc 155 przypadków.Tło: 2 NC, 6 νµ-CC, 0.3 ν-CC

K.Grzelak (UW ZCiOF) 40 / 45

Wyniki

K.Grzelak (UW ZCiOF) 41 / 45

Wyniki dla antyneutrin z wiazki neutrinowej

Zaobserwowano 42 przypadki. Dla oscylacji identycznych jak dlaneutrin oczekiwane sa 58.3± 7.6(stat .)+4.3

3.4 (syst .) Wkrótce wynikidla dwa razy wiekszej statystyki

K.Grzelak (UW ZCiOF) 42 / 45

Podsumowanie

Zmierzone parametry oscylacji:Dla neutrin ∆m2

23 = (2.32+0.12−0.08)× 10−3eV 2, sin2 2θ23 = 1.00

(najlepsze dopasowanie)Dla antyneutrin ∆m2

23 = (3.36+0.46−0.40(stat .)± 0.06(syst .))× 10−3eV 2,

sin2 2θ23 = 0.86± 0.11(stat .)± 0.01(syst .)

Znaczonosc róznicy pomiedzy νµ i νµ - 2.3σ

K.Grzelak (UW ZCiOF) 43 / 45

Podsumowanie

MINOS kontynuuje zbieranie danych z wiazka antyneutrinowa(oczekuje sie podwojenia statystyki)Wkrótce ukonczona zostanie analiza oddziaływan νµ z wiazkineutrinowej dla dwukrotnie wiekszej statystykiNie sa przeanalizowane wszystkie dane dla oscylacji νµ

K.Grzelak (UW ZCiOF) 44 / 45

Podsumowanie

Jezeli róznica pomiedzy ν i ν sie zwiekszy:modele łamiace CPT z róznymi masami dla neutrin i antyneutrin ?(M.C.Gonzales-Garcia, M.Maltoni, Phys.Rept. 460,1,2008)niestandardowe oddziaływania z materia ?(W.Mann et al., Phys.Rev. D 82, 113010, 2010, J.Kopp et al., Phys.Rev.D70, 111301(2004)). . . ??

K.Grzelak (UW ZCiOF) 45 / 45