oscylacje neutrin i antyneutrin w eksperymencie...
TRANSCRIPT
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