Neutrino Superbeam am LHC
Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer
Überblick über die aktuelle Neutrino Physik
Projektmotivation für Superbeam Experimente
Aufbau des Experiments
Erhoffte Er...
Neutrino-Quellen
Stellare Kernfusion
Radioaktive Zerfälle
Reaktorneutrinos
Hintergrundstrahlung
Atmosphärische Schauer
Sup...
Neutrino-QuellenNeutrino-Quellen
Inverser β-Zerfall
β-Zerfall
µ-β-Zerfall
Electroncapture
Λ-ZerfallCC-Scattering µ-ß-Zerfa...
Neutrinoeigenschaften
Drei Flavours (Reins&Cowan, Lederman et al., Donut)
Neutrino Antineutrino sind verschieden (Davis)
M...
Neutrino-oscillation
Solares Neutrinodefizit
Tag-und Nachtdifferenz
Athmospherisches Defizit
Solares SM überprüft
Solare N...
2 Flavor-Neutrino oscillation
3 Flavor-Neutrino oscillation3 Flavor-Neutrino oscillation3 Flavor-Neutrino oscillation
Oscillation
Oscillationswahr-
scheinlichkeit als
Funktion der
Mischungswinkel
Es werden große
Mischungswinkel
bevorzugt ve...
Oscillation
Oscilationswahr-
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130Km
Entfernung
Oscilationswahr-
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0.250 GeV Neutrino-
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Die Bedeutung der Beschleuniger experimente Zur Erforschung
der Neutrino-Oscillation
Kontrollierte Neutrinoquelle:
Bestimm...
1995-1998Schweiz CERN820 mNo oscillationNomad
1994-1997Schweiz CERN850 mNo oscillationChorus
Vτ-Apearance
1999-Japan Kamio...
Überblick der Ergebnisse aus Neutrino - Experimenten
Exclusionplot:
Die Werte der
Massendifferenzen
sind so klein daß
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Neutrino-Beamprojekte am CERN
ICARUS
OPERA
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ß-BEAM
NEUTRINO-FACTORY
Superbeam Neutrinostrahl
Neutrino Quelle
LHC
Beamhorn
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300 kA (inner horn)
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Beamtargetsysteme
Eisen-Kupfer Target
Granulares Target
mit äußerem
Kühlsystem
Herkömmliche Targets
wie z.B. aus Eisen-Kup...
Quecksilberstrahltarget
Neutrino Hg-Beamtarget
Simulation der Stabilisation durch Magnetfeld Strahlverformung
nach erstem bunch
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Offaxis reduziert die
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spektrum
Reduktion der...
Detektor
Wahl zwischen Wasser Cherenkov Detektor und
Scintillations Detector vom MiniBoontyp
Der Wasser Cherenkov Detektor...
Detektor
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Total Vol. 650 kton
Fid.Vol 440 kton =20xSuperK
56 000 20“ PMTs
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Wasser Cherenkov Det...
Detektor
Detektor
Simulation eines 1GeV electronneutrinos und
1GeV muonneutrinos
Die Herausforderung ist die genaue Zuordnung der
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J.Reese
ANHANG
Δm2
23= 3 10-3eV2
ν1
ν2
ν3
ν1
ν2
ν3
Δm2
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θ12 (solar) = 300
θ13 (Chooz)< 130
3 F...
Untersuchungsmethoden
Shortbaseline Experimente
Longbaseline Experimente
Reaktorexperimente
Doppelbetazerfall
Appearance E...
Neutrinofragen
Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)
Majorana- oder Dirac-Teilchen?
Bestimmung der Oscillationsparamet...
ANHANG
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Neutrinofragen
Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)
Zukunftige Neutrinoprojekte
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Neutrino-Beamprojekte in Konstruktion
Opera
Icarus
Minos
MiniBoone
CNGS Neutrinostrahl
CNGS
Neutrinostrahl
DRIFTKAMMER MIT 600 TONNEN FLÜSSIGEM
ARGON
3-D DARSTELLUNG DER EVENTS
ANALOG ZUR BLASENKAMMER
ERZEUGTER NEUTRINO STRAHL:
1...
Det.
2
Det.
1
MINOS
PROTONEN ENERGIE: 120 GeV
INTENSITÄT 4*10 p/spill
3,8*10 p/Jahr
13
20
MITTLERE ENERGIE vµ : 3 bis 18 G...
Neutrinofactory
Neutrinos aus einem
einem Myonenspeichering
Myonen aus Pionenzerfall
schwierig ist die Myonen
zu Speichern...
ß-Beam
Neutrinostrahl gewonnen aus
beschleunigten radioactiven Ionen
Reiner Neutrinoflavour
strahl; bekanntes
Energiespekt...
Zusammenfassung
Neutrinobeam
ß-Beam
Neutrinofactory
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LHC NEUTRINO SUPERBEAM

  1. 1. Neutrino Superbeam am LHC Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer
  2. 2. Überblick über die aktuelle Neutrino Physik Projektmotivation für Superbeam Experimente Aufbau des Experiments Erhoffte Ergebnisse Zusammenfassung Inhalt
  3. 3. Neutrino-Quellen Stellare Kernfusion Radioaktive Zerfälle Reaktorneutrinos Hintergrundstrahlung Atmosphärische Schauer Supernovae AGN Quasare Bilden den Background bei Beschleuniger Experimenten können über ihre Energien,Flüße und Richtung bestimmt werden
  4. 4. Neutrino-QuellenNeutrino-Quellen Inverser β-Zerfall β-Zerfall µ-β-Zerfall Electroncapture Λ-ZerfallCC-Scattering µ-ß-Zerfall Π--Zerfall
  5. 5. Neutrinoeigenschaften Drei Flavours (Reins&Cowan, Lederman et al., Donut) Neutrino Antineutrino sind verschieden (Davis) Maximale Paritätsverletzung (Wu et al.) Neutrino-oscillation Postuliert von Pontecorve (1957) Erklärt Solares und athmospärisches Defizit (Davis, SuperK) Konsequenz: Neutrinos haben Masse Auswirkungen auf die Kosmologie
  6. 6. Neutrino-oscillation Solares Neutrinodefizit Tag-und Nachtdifferenz Athmospherisches Defizit Solares SM überprüft Solare Neutrinos L = 108 km E =0.3 to 15 MeV Δm2 ~ 2-8 × 10-5 eV2 ProbOSC = ~100% Atmospheric Neutrinos L = 15 to 12,000 km E =300 to 2000 MeV Δm2 ~ 1- 7 × 10-3 eV2 ProbOSC = ~100%
  7. 7. 2 Flavor-Neutrino oscillation
  8. 8. 3 Flavor-Neutrino oscillation3 Flavor-Neutrino oscillation3 Flavor-Neutrino oscillation
  9. 9. Oscillation Oscillationswahr- scheinlichkeit als Funktion der Mischungswinkel Es werden große Mischungswinkel bevorzugt vermutet Da auch das Vor- zeichen der Massendifferenz Δm2 23 ist nicht be- kannt ist, sind beide Fälle für LMA aufgetragen. Dies ist mit unter das Ziel der Superbeam- projekt, das Vorzeichen von Δm2 23 zu bestimmen.
  10. 10. Oscillation Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 130Km Entfernung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 0.250 GeV Neutrino- energie Hohe Auflösung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 0.250 GeV Neutrino- energie Geringe Auflösung
  11. 11. Die Bedeutung der Beschleuniger experimente Zur Erforschung der Neutrino-Oscillation Kontrollierte Neutrinoquelle: Bestimmung der Neutrino-Energie Bestimmung des Flavors Bestimmung der Richtung und Flußdichte Bestimmung der Verunreinigung des Strahls Kenntniss des Hintergrundes Nahdetektor und Ferndetektor Eichung möglich Ferndetektor in ausgewählter Entfernung
  12. 12. 1995-1998Schweiz CERN820 mNo oscillationNomad 1994-1997Schweiz CERN850 mNo oscillationChorus Vτ-Apearance 1999-Japan Kamioka250 kmData takingK2K Vµ-Dissapearance 1985-1996USA BNL1 kmNo oscillationE776 1995-1998Schweiz CERN820 mNo oscillationNomad 1994-2001UK18 mNo oscillationKarmen 1994-1998USA Los Alamos 30 mVe 18 ± 7 Ve 40 ± 9LSND Ve-Apearance 1998-200USA750 mO/E= 1.04 ± 0.03 ± 0.08 Paolo Verde 2001-Japan180 kmO/E= 0.611 ± 0.085 ± 0.041 KamLAND 1997-1998France1 kmO/E=0.98 ± 0.4 ± 0.4Chooz 1981-1994France15 m, 40 m, 95 mNo oscillationBugey RunLocationBaselineObservationVe-Dissapearance Neutrino-Experimente
  13. 13. Überblick der Ergebnisse aus Neutrino - Experimenten Exclusionplot: Die Werte der Massendifferenzen sind so klein daß Experimentelle Daten immer nur eine Beschränkung liefern können. Neuere Experimente müßen auf diesen Daten aufbauen und die sensitivität wird jeweils verbessert.
  14. 14. Neutrino-Beamprojekte am CERN ICARUS OPERA SUPER-BEAM ß-BEAM NEUTRINO-FACTORY
  15. 15. Superbeam Neutrinostrahl
  16. 16. Neutrino Quelle LHC
  17. 17. Beamhorn BEAM AXIS 1500 1000 Ø800 Ø2000 Ø80 600 kA (outer horn) 300 kA (inner horn) Not to scale
  18. 18. Beamtargetsysteme Eisen-Kupfer Target Granulares Target mit äußerem Kühlsystem Herkömmliche Targets wie z.B. aus Eisen-Kupfer halten den zukünftigen thermischen und radioaktiven Und mechanischen Belastungen nicht mehr stand. Sie müßten in relativ kurzer Zeit erneuert werden (Kostenfaktor). Alternative Systeme sind Granulares gekühltes Target Es ist austauschbar ist allerdings aufwendig Die andere Methode: Zirkulierendes Quecksilbertarget der Austausch ist einfacher. Kühlung nicht notwendig. Äußeres Magnetfeld muß das Hg fokusieren. Entsorgung nicht einfach.
  19. 19. Quecksilberstrahltarget
  20. 20. Neutrino Hg-Beamtarget Simulation der Stabilisation durch Magnetfeld Strahlverformung nach erstem bunch Strahlverformung durch Wechselwirkung mit dem Protonenstrahl ohne äußeres Magnetfeld
  21. 21. Off-Axis Beam θTargetHorns Decay Pipe Detector Offaxis reduziert die Beam-energie Scharfes Energie- spektrum Reduktion der Hoch- energetischen Hinter- gundstrahlung Energie für maximales Oscill- ationssignal wählbar
  22. 22. Detektor Wahl zwischen Wasser Cherenkov Detektor und Scintillations Detector vom MiniBoontyp Der Wasser Cherenkov Detektor vom SuperK typ wird aus Kostengründen bevorzugt aus physikalischer Sicht sind sie nahe zu equivalent. Es ist auch eine bewährte Technik.
  23. 23. Detektor 60x60x60m3x3 Total Vol. 650 kton Fid.Vol 440 kton =20xSuperK 56 000 20“ PMTs 14 000 14“ PMTs Wasser Cherenkov Detektor Geplanter Standort Frejus Unterdrundlabor Baseline 130 Km Optische Separation
  24. 24. Detektor
  25. 25. Detektor Simulation eines 1GeV electronneutrinos und 1GeV muonneutrinos Die Herausforderung ist die genaue Zuordnung der Events und die Hintergrundreduktion π0ore?
  26. 26. Ende... J.Reese
  27. 27. ANHANG
  28. 28. Δm2 23= 3 10-3eV2 ν1 ν2 ν3 ν1 ν2 ν3 Δm2 12= 3 10-5 - 1.5 10-4 eV2 θ23 (atmos) = 450 θ12 (solar) = 300 θ13 (Chooz)< 130 3 Flavor-Neutrino oscillation Neutrinomassen sind zu klein um direkt gemessen werden zu können. Es wird versucht ihre Massendifferenz über die Osszillationwahrscheinlichkeit zu messen. Die Massenhierarchie ist jedoch noch nicht geklärt
  29. 29. Untersuchungsmethoden Shortbaseline Experimente Longbaseline Experimente Reaktorexperimente Doppelbetazerfall Appearance Experimente Disappearance Experimente
  30. 30. Neutrinofragen Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse) Majorana- oder Dirac-Teilchen? Bestimmung der Oscillationsparameter θ13 und ± Δm23 Bestimmung der Masse und deren Hierarchie
  31. 31. ANHANG mit (anti-v)
  32. 32. Neutrinofragen Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)
  33. 33. Zukunftige Neutrinoprojekte 0.2%~5,0001,000~12000.8OA0.3400C2GT 0.3%~4,60050810?~2OA0.4120NOnA 0.4% 0.3% 0.2% 0.2% 0.8% 1.2% ~1% ne peak ~23,00050?810?~2OA2120NOnA+PD ~18,000 ~13,000 ~360,000 ~3,000 ~5,000 ~2,500 ~50 nmCC (/yr) ~5002950.7OA450T2K-II ~5002540~1WB/OA128BNL-Hs ~5001300.32WB42.2SPL-Frejus 22.5 ~2 5.4 22.5 Mdet (kt) 295 732 730 250 L (km) En (GeV) Beam Power (MW) Ep (GeV) 0.7OA0.7550T2K-I 18WB0.3400CNGS 3.5WB0.4120MINOS(LE) 1.3WB0.00512K2K Im Bau /Genehmigt
  34. 34. Neutrino-Beamprojekte in Konstruktion Opera Icarus Minos MiniBoone
  35. 35. CNGS Neutrinostrahl
  36. 36. CNGS Neutrinostrahl
  37. 37. DRIFTKAMMER MIT 600 TONNEN FLÜSSIGEM ARGON 3-D DARSTELLUNG DER EVENTS ANALOG ZUR BLASENKAMMER ERZEUGTER NEUTRINO STRAHL: 1-100GeV 2600 vµ EREIGNISSE pro kt/Jahr OHNE OSCILLATION 22 vtau EREIGNISSE PRO kt/Jahr v– v+ d + - + – V0 i0 E IONISATIONSSPUR KATHODEPMT
  38. 38. Det. 2 Det. 1 MINOS PROTONEN ENERGIE: 120 GeV INTENSITÄT 4*10 p/spill 3,8*10 p/Jahr 13 20 MITTLERE ENERGIE vµ : 3 bis 18 GeV VERUNREINIGUNG MIT ve < 1% Graphit Target Nah-Detektor MISST ENERGIE SPEKTRUM ve CONTAMINATION Absorber Halle Winkel 58 mrad STAHL SCINTILLATIONS KALOROMETER 2,54 CM STAHL ABSORBER MIT 1,5T MAGNETFELD POLYSTEREN-SCINTILLATONSSTREIFEN (1CM DICK 4CM BREIT ) NAHDETEKTOR: 282 STAHLPLATTEN 980 TONNEN 3.8 * 4.8 m OKTAGON FERN DETEKTOR: 486 STAHLPLATTEN 5.4 TONNEN KALIBRATION BEIDER DETEKTOREN MIT KOSMISCHER STRAHLUNG
  39. 39. Neutrinofactory Neutrinos aus einem einem Myonenspeichering Myonen aus Pionenzerfall schwierig ist die Myonen zu Speichern Kühlung und Magnetfeld nötig
  40. 40. ß-Beam Neutrinostrahl gewonnen aus beschleunigten radioactiven Ionen Reiner Neutrinoflavour strahl; bekanntes Energiespektrum und Intensität Bessere Hinter grundreduktion Bestimmung der CP- Verletzungsphase δ und Mischungswinkel θ13 Complementaire zum Superbeam Oxide fiber target
  41. 41. Zusammenfassung Neutrinobeam ß-Beam Neutrinofactory

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