newest results from minos - university of miami · 17.12.2008 jeff dejong , iit minos, 1 newest...

24
 17.12.2008 Jeff deJong, IIT 1 MINOS, Newest Results From MINOS Newest Results From MINOS Jeff de Jong Jeff de Jong (on behalf of the MINOS Collaboration) (on behalf of the MINOS Collaboration) Illinois Institute of Technology Illinois Institute of Technology Miami 2008, Dec 16-20 Miami 2008, Dec 16-20

Upload: buinhu

Post on 15-Sep-2018

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 1MINOS, 

Newest Results From MINOSNewest Results From MINOSJeff de JongJeff de Jong

(on behalf of the MINOS Collaboration)(on behalf of the MINOS Collaboration)

Illinois Institute of TechnologyIllinois Institute of TechnologyMiami 2008, Dec 16-20Miami 2008, Dec 16-20

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 2MINOS, 

Talk Outline Introduction to MINOS/NuMI Recent Results from MINOS

Charge Current: 

dissappearance results

Neutral Current:  s  Sterile search results

Charge Current: e appearance sensitivity studies

 Other ongoing MINOS studies(not discussed here)●

 vs 

 ie CPT

● atmospheric neutrinos● Cosmic rays● neutrino flux/cross­section measurements using ND

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 3MINOS, 

MINOS Collaboration

Argonne – Athens – Benedictine – Brookhaven – Caltech – Cambridge-Campinas Diderot – Fermilab – Harvard -IIT – Indiana – ITEP - Lebedev – LLNL Minnesota – Twin Cities –

Minnesota/Duluth – Oxford - Pittsburgh Rutherford Sao Paulo – South Carolina – Stanford Sussex - Texas A&M – Texas/Austin Tufts – UCL -Warsaw- Western Washington – William & Mary

172 Physicists from 31 Institutions

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 4MINOS, 

MINOS Overview• Main Injector Neutrino 

Oscillation Search• Neutrinos at the Main Injector 

(NuMI) beam at Fermilab Two detectors Near  detector at Fermilab

measure beam composition 

energy spectrum Far  detector in Minnesota 

search for evidence of oscillations

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 5MINOS, 

NuMI / Neutrino Production

● Low Energy Beam composition(%)92.9

5.8

,1.3 ee

●Neutrino beam energy is tunable by modifying the target position wrt the horn.● Run in LE configuration as peak is closer to expected oscillation minimum.

● two magnetic focusing horns guide positive mesons down the decay pipe

Beam Stats.~ 275 kW,1018 POT/day,3x1013POT/10 s spill

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 6MINOS, 

Integrated Protons on Target

Shut

down

1st Results Dataset  (1.27x1020 POTs LE­10)

Additional 1.98x1020 POTs LE­10 

High Energy  Runs 

Run I Run II

Shut

down

Run III

Ongoing LE­10           Running (>1.5×1020 POTs)

1st Results Dataset  (1.27x1020 POTs LE­10)

Additional 1.98x1020 POTs LE­10 

High Energy  Runs 

Ongoing LE­10           Running (>2.5×1020 POTs)

●Jan 21,2005 First  interaction in ND. CC

NC

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 7MINOS, 

MINOS Detectors

Near DetectorNear Detector

Far DetectorFar Detector

Detector    Near FarDepth ~100m ~700mFrom Target ~ 1 km ~735 km

0.98 5.4Mass (kTon)

Two functionally identical detectors ● iron/scintillator tracking calorimeter● magnetized 1” steel planes <B>~1.3T● Scintillating strips 1.0cm x 4.1 cm● multi­anode PMT readout● GPS time stamping to synchronize FD to ND

●two detectors minimizes systematics due to flux/coss section uncertainties

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 8MINOS, 

Neutrino Interactions

ν ν

γγ

Z

π0

N(+X)

νµ µ

W

N X

νe e

W

N X

νµ CC Event NC Event ν e CC Event

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 9MINOS, 

Neutrino Interactions

long µ   track+ hadronic activity at vertex

νµ CC EventUZ

VZ

3.5m

short event, often diffuse

NC Event

1.8m

short, with typical EM shower profile

ν e CC Event

2.3m

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 10MINOS, 

Charged Current Analysis of 3.36×1020 POT of MINOS Data

Precision measurement of |∆m322| and sin22θ

23

Phys Rev Lett 101 131802 (2008)

CC Analysis

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 11MINOS, 

Particle ID

CC/NC  separation  using  a  nearest neighbour algorithm (kNN) with 4 inputs 

 Track Length(# of planes)●For Hits on Track

 Mean Pulse Height Fluxuation in Pulse Height Transverse Track Profile

●Neutral Current contamination increases at low energy/short tracks

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 12MINOS, 

Near   Far ExtrapolationDue to different solid angles Far Detector Spectrum != Near Detector SpectrumUse MonteCarlo to provide corrections to the observed ND spectrum

FD

Decay Pipe

π+Target

NDp

Encode the pion decay kinematics and angular acceptance into a beam transfer matrix

● convert ND spectrum to FD

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 13MINOS, 

Systematic Uncertainties

● Relative (ND to FD) normalisation (4%)● Absolute hadronic energy scale (10%)● NC background (50%)

Effects of uncertainties estimated by fitting systematically shifted MC in place of data.

Note: analysis is still statistically limited!

Three largest uncertainties included as penalty terms in fit to data :

χ2= (2(ei−oi)+2nbins

∑ oiln(oi/ei))+∆sj

2

σsj

2nsys

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 14MINOS, 

Far Detector  CC spectrum

● Significant energy­dependent suppression of 

 CC events observed

Best Fit (constrained) parameters :

2­flavor oscillations

|∆m2| = (2.43±0.13) x 10­3 eV2  (68% C.L.)sin2(2θ) > 0.90  (90% C.L.)2/ndof=90/97

Best Fit (unconstrained) parameters

|∆m2| = (2.33) x 10­3 eV2 

sin2(2θ) =1.07 2/ndof=­0.6

Observed 848/ Expect 1065±60 (syst).

P=sin2 2sin2

1.27m2LE

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 15MINOS, 

Other Interpretations

Decay

Decoherence

V. Barger et al., PRL82:2640(1999)

2/ndof=104/97 2=14Disfavored at 3.7

2/ndof=123/97 2=33Disfacvored at 5.7

G.L. Fogli et al, PRD 67:093006(2003)

P=sin2cos2 e−L2E 2

P=1−sin22

21−e

−2L2E

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 16MINOS, 

NC Analysis

Neutral Current Analysis of 2.46×1020 POT of MINOS Data

Looking for sterile neutrino mixing Phys Rev Lett 101 221804 (2008)

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 17MINOS, 

NC Motivation● Given  the standard 3­flavor oscilllation model,  the extrapolated near detector neutral current rate at the FD should match the total  observed Neutral Current (NC) rate. 

● An observed deficit of NC events at the Far Detector could indicate oscillation to sterile neutrinos.(which don't interact at all)

●Compare the NC energy spectrum with the expectation of standard 3­flavor oscillations●Fix the oscillation parameters at :

Reminder:  For NC events we expect showers and no tracks, or very short tracks.(e events will fall into NC sample)

sin2(223)=1.0 and m232=2.43x10­3eV2      ⟵ MINOS 2008 CC Result

=0.61 and m221=7.59x10­5eV2                    ⟵ KAMLAND+SNO

=0 or 0.21 and  NMH)                       ⟵ From Chooz Limit

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 18MINOS, 

NC Event Selection

Main background: inelastic (high­y)νμ CC events

Excluded

Excluded

Excluded

Cleaned Near Detector Data Set

FD Same cuts as ND: < 60 planes; no  track  or  no  track 

beyond  5  planes from shower 

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 19MINOS, 

NC ResultsNC Far Detector SpectrumNC Far Detector SpectrumShown for Shown for 1313=0 and the Chooz Limit=0 and the Chooz Limit

● Assume 1 sterile neutrino and that mixing occurs at one value of m2

●  Far  detector  background  predictions depends on oscillation parameters.●Survival and oscillation probabilities

●Fraction  of  all  dissappearing  events going to a sterile neutrino 

)/27.1(sin)(

)/27.1(sin1)(22

22

ELmP

ELmP

ss ∆α=ν−ν

∆α−=ν−ν

µ

µµµ

f s=P s

1−P

w/o e appearance with e appearancef s=0.28−0.28

0.25statsyst f s0.68 90%C.L.

f s=0.43−0.270.23statsyst

f s0.80 90%C.L. Results Consistent with no deficit in NC rate !!

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 20MINOS, 

e CC appearance Analysis

e CC appearance SensititiesResults expected in a few months

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 21MINOS, 

e CC appearanceWorking toward a measurement of sin2(213)

selection is a neural network based on characteristics of EM showers.

e spectrum is background dominatedDominant backgrounds are short CC/NC 

 events

Data driven systematic uncertainty currently at ~ 10% :

Pe=sin2213sin

2223sin21.27m13

2 L /E

 hope is to reduce this to 5% in near future

With  3.25x1020  protons  (ie  current   exposure)  at the Chooz limit we expect 12 signal and 42 background events.

MINOS can improve CHOOZ limit by a factor of 2

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 22MINOS, 

Summary Slide

● Updated results for  CC dissappearance have been presented

|∆m2| = (2.43±0.13) x 10­3 eV2  (68% C.L.)sin2(2θ) > 0.90  (90% C.L.)

● First results for NC dissappearance/sterile searches: (w/o ne appearance)f s=0.28−0.28

0.25statsyst f s0.68 90%C.L.

● MINOS is on the verge of having its first e appearance measurement

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 23MINOS, 

Backup Slides

   17.12.2008 Jeff deJong, IIT 24MINOS, 

PID parameters