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

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

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

Neutrino-Quellen Neutrino-Quellen m-b-Zerfall m-ß-Zerfall Inverser b-Zerfall b-Zerfall Electroncapture m-b-Zerfall P--Zerfall CC-Scattering m-ß-Zerfall L-Zerfall

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

Neutrino-oscillation Solares Neutrinodefizit Tag-und Nachtdifferenz Athmospherisches Defizit Solares SM überprüft Atmospheric Neutrinos L = 15 to 12,000 km E =300 to 2000 MeV Dm2 ~ 1- 7 10-3 eV2 ProbOSC = ~100% Solare Neutrinos L = 108 km E =0.3 to 15 MeV Dm2 ~ 2-8 10-5 eV2 ProbOSC = ~100%

2 Flavor-Neutrino oscillation

3 Flavor-Neutrino oscillation

Oscillation Oscillationswahr- scheinlichkeit als Funktion der Mischungswinkel Es werden große Mischungswinkel bevorzugt vermutet Da auch das Vor- zeichen der Massendifferenz Dm223 ist nicht be- kannt ist, sind beide Fälle für LMA aufgetragen. Dies ist mit unter das Ziel der Superbeam- projekt, das Vorzeichen von Dm223 zu bestimmen.

Oscillation Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 0.250 GeV Neutrino- energie Geringe Auflösung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 0.250 GeV Neutrino- energie Hohe Auflösung Oscilationswahr- scheinlichkeit bei 130Km Entfernung

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

Neutrino-Experimente Ve-Dissapearance Observation Baseline Location Run Bugey No oscillation 15 m, 40 m, 95 m France 1981-1994 Chooz O/E=0.98 ± 0.4 ± 0.4 1 km 1997-1998 KamLAND O/E= 0.611 ± 0.085 ± 0.041 180 km Japan 2001- Paolo Verde O/E= 1.04 ± 0.03 ± 0.08 750 m USA 1998-200 Ve-Apearance LSND Ve 18 ± 7 Ve 40 ± 9 30 m USA Los Alamos 1994-1998 Karmen 18 m UK 1994-2001 Nomad 820 m Schweiz CERN 1995-1998 E776 USA BNL 1985-1996 Vm-Dissapearance K2K Data taking 250 km Japan Kamioka 1999- Vt-Apearance Chorus 850 m 1994-1997

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.

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

Superbeam Neutrinostrahl

Neutrino Quelle LHC

Beamhorn

Beamtargetsysteme 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. Eisen-Kupfer Target Granulares Target mit äußerem Kühlsystem

Quecksilberstrahltarget

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

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

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.

Detektor Wasser Cherenkov Detektor Geplanter Standort Frejus Unterdrundlabor Baseline 130 Km 60x60x60m3x3 Total Vol. 650 kton Fid.Vol 440 kton =20xSuperK 56 000 20“ PMTs 14 000 14“ PMTs Optische Separation

Detektor

Detektor Simulation eines 1GeV electronneutrinos und 1GeV muonneutrinos Die Herausforderung ist die genaue Zuordnung der Events und die Hintergrundreduktion p0 or e?

the absence of evidence Ende... the absence of evidence is no evidence of absence J.Reese

ANHANG

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 n2 n1 Dm212= 3 10-5 - 1.5 10-4 eV2 n3 n3 Dm223= 3 10-3eV2 n2 n1 q23 (atmos) = 450 q12 (solar) = 300 q13 (Chooz)< 130

Untersuchungsmethoden Shortbaseline Experimente Longbaseline Experimente Reaktorexperimente Doppelbetazerfall Appearance Experimente Disappearance Experimente

Neutrinofragen Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse) Majorana- oder Dirac-Teilchen? Bestimmung der Oscillationsparameter q13 und ± Dm23 Bestimmung der Masse und deren Hierarchie

ANHANG mit (anti-v)

Neutrinofragen Drei oder vier Flavours (LSND-Ergebnisse)

Zukunftige Neutrinoprojekte Ep (GeV) Power (MW) Beam En L (km) Mdet (kt) nmCC (/yr) ne peak K2K 12 0.005 WB 1.3 250 22.5 ~50 ~1% MINOS(LE) 120 0.4 3.5 730 5.4 ~2,500 1.2% CNGS 400 0.3 18 732 ~2 ~5,000 0.8% T2K-I 50 0.75 OA 0.7 295 ~3,000 0.2% NOnA 810? ~4,600 0.3% C2GT 0.8 ~1200 1,000 T2K-II 4 ~500 ~360,000 NOnA+PD 2 50? ~23,000 BNL-Hs 28 1 WB/OA ~1 2540 ~13,000 SPL-Frejus 2.2 0.32 130 ~18,000 0.4% Im Bau /Genehmigt

Neutrino-Beamprojekte in Konstruktion Opera Icarus Minos MiniBoone

CNGS Neutrinostrahl

CNGS Neutrinostrahl

DRIFTKAMMER MIT 600 TONNEN FLÜSSIGEM ARGON KATHODE PMT 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 IONISATIONSSPUR i + v – - V + E v + – d

MINOS ve CONTAMINATION Det. 2 Det. 1 Graphit Target Winkel 58 mrad MITTLERE ENERGIE vµ : 3 bis 18 GeV VERUNREINIGUNG MIT ve < 1% Det. 2 Det. 1 NAHDETEKTOR: 282 STAHLPLATTEN 980 TONNEN 3.8 * 4.8 m OKTAGON FERN DETEKTOR: 486 STAHLPLATTEN 5.4 TONNEN KALIBRATION BEIDER DETEKTOREN MIT KOSMISCHER STRAHLUNG STAHL SCINTILLATIONS KALOROMETER 2,54 CM STAHL ABSORBER MIT 1,5T MAGNETFELD POLYSTEREN-SCINTILLATONSSTREIFEN (1CM DICK 4CM BREIT ) Graphit Target Winkel 58 mrad Absorber Halle Nah-Detektor MISST ENERGIE SPEKTRUM ve CONTAMINATION PROTONEN ENERGIE: 120 GeV INTENSITÄT 4*10 p/spill 3,8*10 p/Jahr 13 20

Neutrinofactory Neutrinos aus einem einem Myonenspeichering Myonen aus Pionenzerfall schwierig ist die Myonen zu Speichern Kühlung und Magnetfeld nötig

ß-Beam Neutrinostrahl gewonnen aus beschleunigten radioactiven Ionen Reiner Neutrinoflavour strahl; bekanntes Energiespektrum und Intensität Bessere Hinter grundreduktion Bestimmung der CP- Verletzungsphase d und Mischungswinkel q13 Complementaire zum Superbeam Oxide fiber target

Zusammenfassung Neutrinobeam ß-Beam Neutrinofactory