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Neutrino Superbeam am LHC Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer.

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Präsentation zum Thema: "Neutrino Superbeam am LHC Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer."—  Präsentation transkript:

1 Neutrino Superbeam am LHC Seminar am 05 Februar 2005 Petronela-Antonia Bauer

2 Überblick über die aktuelle Neutrino Physik Projektmotivation für Superbeam Experimente Aufbau des Experiments Erhoffte Ergebnisse Zusammenfassung Inhalt

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 Neutrino-Quellen Inverser -Zerfall -Zerfall - -Zerfall Electroncapture -Zerfall CC-Scattering -ß-Zerfall - -Zerfall

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 Neutrino-oscillation Solares Neutrinodefizit Tag-und Nachtdifferenz Athmospherisches Defizit Solares SM überprüft Solare Neutrinos L = 10 8 km E =0.3 to 15 MeV m 2 ~ eV 2 Prob OSC = ~100% Atmospheric Neutrinos L = 15 to 12,000 km E =300 to 2000 MeV m 2 ~ eV 2 Prob OSC = ~100%

7 2 Flavor-Neutrino oscillation

8 3 Flavor-Neutrino oscillation

9 Oscillation Oscillationswahr- scheinlichkeit als Funktion der Mischungswinkel Es werden große Mischungswinkel bevorzugt vermutet Da auch das Vor- zeichen der Massendifferenz m 2 23 ist nicht be- kannt ist, sind beide Fälle für LMA aufgetragen. Dies ist mit unter das Ziel der Superbeam- projekt, das Vorzeichen von m 2 23 zu bestimmen.

10 Oscillation Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 130Km Entfernung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei GeV Neutrino- energie Hohe Auflösung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei GeV Neutrino- energie Geringe Auflösung

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 V e -Dissapearance ObservationBaselineLocationRun BugeyNo oscillation 15 m, 40 m, 95 m France Chooz O/E=0.98 ± 0.4 ± km France KamLAND O/E= ± ± km Japan Paolo Verde O/E= 1.04 ± 0.03 ± m USA V e -Apearance LSND V e 18 ± 7 V e 40 ± 9 30 m USA Los Alamos KarmenNo oscillation 18 m UK NomadNo oscillation 820 m Schweiz CERN E776No oscillation 1 km USA BNL V -Dissapearance K2KData taking 250 km Japan Kamioka V -Apearance ChorusNo oscillation 850 m Schweiz CERN NomadNo oscillation 820 m Schweiz CERN Neutrino-Experimente

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 Neutrino-Beamprojekte am CERN ICARUS OPERA SUPER-BEAM ß-BEAM NEUTRINO-FACTORY

15 Superbeam Neutrinostrahl

16 Neutrino Quelle LHC

17 Beamhorn

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 Quecksilberstrahltarget

20 Neutrino Hg-Beamtarget Simulation der Stabilisation durch Magnetfeld Strahlverformung nach erstem bunch Strahlverformung durch Wechselwirkung mit dem Protonenstrahl ohne äußeres Magnetfeld

21 Off-Axis Beam Target Horns Decay Pipe Detector Offaxis reduziert die Beam-energie Scharfes Energie- spektrum Reduktion der Hoch- energetischen Hinter- gundstrahlung Energie für maximales Oscill- ationssignal wählbar

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 Detektor 60x60x60m3x3 Total Vol. 650 kton Fid.Vol 440 kton =20xSuperK PMTs PMTs Wasser Cherenkov Detektor Geplanter Standort Frejus Unterdrundlabor Baseline 130 Km Optische Separation

24 Detektor

25 Simulation eines 1GeV electronneutrinos und 1GeV muonneutrinos Die Herausforderung ist die genaue Zuordnung der Events und die Hintergrundreduktion 0 or e?

26 Ende... J.Reese

27 ANHANG

28 m 2 23 = eV 2 m 2 12 = eV 2 23 (atmos) = (solar) = (Chooz)< 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 Untersuchungsmethoden Shortbaseline Experimente Longbaseline Experimente Reaktorexperimente Doppelbetazerfall Appearance Experimente Disappearance Experimente

30 Neutrinofragen Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse) Majorana- oder Dirac-Teilchen? Bestimmung der Oscillationsparameter 13 und ± m 23 Bestimmung der Masse und deren Hierarchie

31 ANHANG mit (anti-v)

32 Neutrinofragen Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)

33 Zukunftige Neutrinoprojekte E p (GeV) Power (MW) Beam E n (GeV) L (km) M det (kt) n m CC (/yr) n e peak K2K WB ~50~1% MINOS(LE) WB ~2,5001.2% CNGS4000.3WB18732~2~5,0000.8% T2K-I500.75OA ~3,0000.2% NOnA1200.4OA~2810?50~4,6000.3% C2GT4000.3OA0.8~12001,000~5,0000.2% T2K-II504OA0.7295~500 ~360, % NOnA+PD1202OA~2810?50?~23,0000.3% BNL-Hs281 WB/OA ~12540~500~13,000 SPL-Frejus2.24WB ~500~18,0000.4% Im Bau /Genehmigt

34 Neutrino-Beamprojekte in Konstruktion Opera Icarus Minos MiniBoone

35 CNGS Neutrinostrahl

36 CNGS Neutrinostrahl

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 – V 0 i 0 E IONISATIONSSPUR KATHODE PMT

38 Det. 2 Det. 1 MINOS PROTONEN ENERGIE: 120 GeV INTENSITÄT 4*10 p/spill 3,8*10 p/Jahr MITTLERE ENERGIE vµ : 3 bis 18 GeV VERUNREINIGUNG MIT ve < 1% Graphit Target Nah-Detektor MISST ENERGIE SPEKTRUM v e 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 Neutrinofactory Neutrinos aus einem einem Myonenspeichering Myonen aus Pionenzerfall schwierig ist die Myonen zu Speichern Kühlung und Magnetfeld nötig

40 ß-Beam Neutrinostrahl gewonnen aus beschleunigten radioactiven Ionen Reiner Neutrinoflavour strahl; bekanntes Energiespektrum und Intensität Bessere Hinter grundreduktion Bestimmung der CP- Verletzungsphase und Mischungswinkel 13 Complementaire zum Superbeam Oxide fiber target

41 Zusammenfassung Neutrinobeam ß-Beam Neutrinofactory


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