29/04/2004 M.G.Catanesi 1 Neutrino Beams present, past and future
Jan 19, 2016
29/04/2004 M.G.Catanesi 1
Neutrino Beams
present, past and future
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Outlook ““Traditional” Neutrino BeamsTraditional” Neutrino Beams
( ( , , κκ μμ ee)) Narrow beams (NNB)
Wide Band (WNB) Super BeamsSuper Beams
Off-Axis
Neutrino –Factories (Neutrino –Factories (μμ -> -> μμ ee) ) Beta BeamsBeta Beams
WANF WANF CNGSCNGSNUMINUMI
K2KMiniboone
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A little bit of history : CERN 1960
Layout of a “standard” neutrino beams
Fasci primari
• Metodi di estrazione del fascio di protoni
•Fast : protoni che hanno percorso una sola volta l’SPS con una durata dell’impulso (spill) di qualche μμs s tipico della camere a bolle
•Fast/Slow : alcune centinaia di rivoluzione nell’SPS spill di qualche ms (chorus/nomad)
•Slow : 105 giri spill 2s
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NNB or WNB ? Se non viene effettuata nessuna selezione in
impulso dei secondari si parla di WNB I fasci NNB comportano una drastica diminuzione
dell’intensita’ dei neutrini prodotti. Sono da preferire solo se una selezione sull’energia dei neutrini e’ importante
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Bersagli In tutti I fasci neutrini il primo step e’ costituito dalla
produzione di secondari (, , κκ ) mediante interazione ) mediante interazione del fascio primario di protoni su un bersagliodel fascio primario di protoni su un bersaglio
Il bersaglio e’ costituito da un insieme di barre cilindriche Il bersaglio e’ costituito da un insieme di barre cilindriche di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria e’ ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress e’ ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress meccanici e termici dovuti all’intensita’ del fascio meccanici e termici dovuti all’intensita’ del fascio primarioprimario
Il materiale classicamente utilizzato e’ il berillio (wanf al Il materiale classicamente utilizzato e’ il berillio (wanf al cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu’ recenti cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu’ recenti utilizzano l’alluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS)utilizzano l’alluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS)
Dimensioni tipiche (Wanf 110cm , Miniboone 65 cm, k2k Dimensioni tipiche (Wanf 110cm , Miniboone 65 cm, k2k 60cm) 60cm)
Il bersaglio di k2k
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HORNs: Focalizzazione delle particelle secondarie
L’horn non e’ nient’altro che una lente magnetica Nell’horn le particelle sono deflesse da un campo
magnetico radiale realizzato da 2 conduttori coassiali lungo i quali fluiscono correnti di uguale intensita’ ma di direzioni opposte
Il profilo interno dell’horn puo’ essere dedotto imponendo la condizione di emissione parallela
Valori tipici al CERN-Wanf :
100KA, 65GeV , 8 gradi
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Horns:continua…
L’Horn e’ un magnete impulsato con il massimo in coincidenza col passaggio dei protoni
La corrente e la distanza dal bersaglio possono essere variate per ottimizzare le caratteristiche del fascio neutrino desiderato
Naturalmente invertire la polarita’ nell’horn corrisponde a selezionare particelle negative (antineutrini)
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CERN-WANF 1993 :esempio di ottimizzazione
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muon flux
•Il flusso dei muoni e’ valutato usando diodi al silicio
•Il segnale raccolto su ogni diodo e’ proporzionale al flusso di muoni
• Fμ = Sd x (Vs – V0)/G
•Speciali diodi di riferimento permettono l’intercalibrazione dei detectors
•Speciali runs con emulsioni nucleari permettono lavalutazione assoluta del flusso
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Muon flux: continua…
• Flusso su singoli diodi
•Profilo laterale del flusso di muoni
• Profilo bidimensionale
• Dipendenza del flusso di muoni dalla posizione lungo la linea di fascio
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Monitoring & allineamento * Il monitoring di un
fascio neutrino e’ un elemento fondamentale per il suo funzionamento
Viene normalmente fatto verificando il centramento e l’intensita’ del fascio di protoni incidenti (BcTs et.c.) e verificando il profilo e l’intensita’ dei muoni
* The Alignment of the CERN West Area Neutrino Facility – Yellow Report – 96/06
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Previsione del flusso di neutrini Per conoscere il flusso
di neutrini e la sua composizione e’ necessario conoscere la quantita’ e lo spettro dei secondari prodotti nel bersaglio
Per valutare questo elemento che difficilmente puo’ essere misurato in situ si utilizzano normalmente varii generatori MC
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Prodotti secondari:
Spesso la mancanza di dati sperimentali e le differenze nei modelli adronici utilizzati rende la previsione del flusso di neutrini all’esperimento estremamente difficile
Per evitare quella che in molti casi rappresenta una delle sorgenti principali di errore sistematico gli esperimenti neutrino si sono avvalsi di esperimenti ancillari di adroproduzione per coprire la mancanza di conoscenza sulla produzione di secondari
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Esperimenti di adroproduzione
Experiment Proton E Some H.P. exp
ref
Ps169, Ps180, Ps181
~ 20GeV Allaby et al.Eichten et al.
CERN 70-12N.P. B44 (1972)
CDHS, CHARM, BEBC
~400GeV NA20 (Atherton) CERN 80-07
CHORUS, NOMAD, CNGS
~400GeV NA56/SPY SPSC 96-01
K2K, MiniBooNE 12.9 GeV, 8GeV HARP CERN- ps214
NuFact/SuperBeam designs
~2GeV HARP ==
Atm. Neutrinos >10GeV HARP/NA49 CERN- ps214SPSC 2001-017
MINOS 120GeV HARP/NA49FNAL E907
SPSC 2001-017
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Alcune considerazioni generali……...
Il fascio neutrino per la sua complessita’ e interdipendenza e’ sempre stato considerato parte integrante degli esperimenti.
Se il fascio e’ parte dell’esperimento anche la sua calibrazione e caratterizzazione naturalmente lo e’
Anche per questo motivo negli ultimi tempi si e’ assistito a un interesse diretto degli esperimenti neutrino nelle misure di adroproduzione e non solo
Infatti la comunita’ e’ sempre particolarmente attiva nello sviluppo di idee per i nuovi fasci neutrino del futuro in sinergia con i gruppi di fisica degli acceleratori
•NuMI has 400kW primary proton beam 120 GeV 8.67 sec spill 1.9 sec rep rate
MINOS (Fermilab to Minnesota)
L = 730 km
•Beam Axis 3.32o into the ground at FNAL, exits at Canadian border.•2o off-axis in southern Canada or northern Wisconsin (L = 530 – 950 km)
(12 km)
Numi Target Hall
Beamline Component Positioning Modules
Two Types of Magnetic Focusing Horns
Pion Production Target (plus readout of target, vacuum pump)
Baffle to protect horn from beam accidents
Target Hall Radiation Shielding Radioactivated component work cell
Alternate Horn Positions(eg: for off-axis exp’t)
Minos Horn 1 Prototype
0
1,000,000
2,000,000
3,000,000
4,000,000
5,000,000
Mar-97
Apr-97
May-97
J un-97
J ul-97
Aug-97
Aug-97
Sep-97
Oct-97
Nov-97
Dec-97
J an-98
Feb-98
Mar-98
Date(Runs nights and weekends only)
puls
es a
t 20
0 kA
Test Power Supply, 0.85 ms pulse
Production Power Supply, 2.7 ms pulse, 205 kA peak
Wat
er li
ne fi
xtur
e fr
actu
re
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Fasci tradizionali di bassa energia:Il fascio neutrino di k2k
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Flusso atteso di neutrini per k2k
K2K
far
/nea
r ra
tio
K2K
far
/nea
r ra
tio
Beam MC Beam MCconfirmed byPion Monitor
To be measured To be measured by HARPby HARP
0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
oscillationoscillationpeakpeak
Il complesso del Fermilab
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Fasci tradizionali di bassa energia:Miniboone at FNAL
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Super Beams
Fasci Tradizionali ma ad alta intensita’
JHF (1MW ) (Minos-Off-Axis) Non richiedono upgrade tecnologici
sostanziali per bersagli e horns
SPL (4MW) Primo step della neutrino factory richiede
upgrade tencnologici importanti
JHF Overview JHF Overview
beam of ~1GeV
Kamioka
JAERI(Tokai-mura)
→ → xx disappearance
→ → ee appearanceNC measurement
0.75 MW 50 GeV PS
Super-K: 50 ktonWater Cherenkov
~Mt “Hyper Kamiokande”
4MW 50GeV PS
CPVproton decay
1st Phase2nd Phase
JHF Complex
Off Axis Beam (another NBB option)
WBB w/ intentionally misaligned beam line from det. axis
(ref.: BNL-E889 Proposal)
Target Horns Decay Pipe
Far Det.
Decay Kinematics
Quasi Monochromatic Beamx2~3 intense than NBB
Expected spectrum at JHF
~4500 tot int/22.5kt/yr~3000 CC int/22.5kt/yr
OA3°OA2°OA1°
Osc. Prob.=sin2(1.27m2L/E)
m2=3x10-3eV2
L=295km
osc.
max
.
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NBB vs Off-Axis
Bending2Tx4.5m(1.8Tx5m)
1°2°
3°
Kamioka
OA2deg
NBB
horn
ExtremelyHigh rad.Environment!
Target/horn
Side View
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Detectors
Muon monitors @ ~140m Behind the beam dump Fast (spill-by-spill) monitoring of beam
direction/intensity
First Front detector “Neutrino monitor” @280m
Neutrino intensity/direction Study of neutrino interactions
Second Front Detector @ ~2km Almost same E spectrum as for SK Absolute neutrino spectrum Precise estimation of background
Far detector @ 295km Super-Kamiokande (50kt) Hyper-Kamiokande (~1Mt)
1.5km
295km
0.28km
Neutrino spectra at diff. dist
Off-Axis case for Existing NuMI
Plots assume current neutrino target, horns. Variable energy beam can help move peaks
dynamically Antineutrino running takes factor 3 hit in rate
NuMI ME BeamNuMI ME BeamNuMI LE BeamNuMI LE Beam
figures courtesy M.Messier
Neutrino Factory CERN layout
e+ e
_
interacts
giving
oscillates e
interacts giving
WRONG SIGN MUON
1016p/s
1.2 1014 s =1.2 1021 yr
3 1020 eyr
3 1020 yr
0.9 1021 yr
Harp Data
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SPL
HIPPI
300 MeV Neutrinossmall contamination from e (no K at 2 GeV)
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The Alternative The Alternative CERN RCS CERN RCS Scenario for Scenario for the 4 MW NF the 4 MW NF Proton DriverProton Driver
CERN reference scenario In order to produce 1021 neutrinos/year proton beams with
a power of 1-4 MW needs to interact with a high Z target.
Proton energy 2.2 GeV. Repetition rate 50 Hz Pulse duration 3.3 s. Pulse intensity 1.5 1014/pulse Average beam power 4 MW Target absorbed power 1 MW Liquid Hg-jet target Diam. 10 mm Pion collection by means of a magnetic horn.
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The Target: The liquid Hg option
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Water-cooled granular target
Ta-Spheres, = 16.8 g/cmR = 1mmPacking density ~60% (~140 spheres/cm3)R = 10g/cm3
Small spheres good for cooling: surface/volume~1.RWater cooling:v = 6m/s through 20% of cross-sectionV = 11l/sT =18K (20% of 4MW, S. Gilardoni)T =36KP =4-5 BarRe ~ 104
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La proposta americana: solenoide da 20T
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Neutrino Factory
Muon Cooling
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Espe
rim
ento
rec
ente
men
te
appr
ovat
o al
RAL
Tracking devicesTracking devices
T.O.F. IIIT.O.F. IIIPrecise timingPrecise timing
Electron IDElectron IDEliminate muons that decay Eliminate muons that decay
Tracking devices: Tracking devices: Measurement of momentum angles and positionMeasurement of momentum angles and position
T.O.F. I & IIT.O.F. I & II
Pion /muon ID and precise timingPion /muon ID and precise timing
10% cooling of 200 MeV muons requires ~ 20 MV of RF
single particle measurements =>
measurement precision can be as good as out/ in ) = 10-3
201 MHz RF cavities
Liquid H2 absorbersSC Solenoids;Spectrometer, focus pair, compensation coil
TPG TPG
Scenario alternativo proposto dai giapponesi
BETA Beamnew idea by P. Zucchelli
produce 6He++, store, accelerate (100 GeV/u), store
Q=3.5078 MeV T/2 = 0.8067 s
pure anti-e beam at 600 MeV
or: eFNe e
189
1810 pure e beam at 600 MeV
oscillation signal: appearance of low energy muons no opposite charge neutrinos=> no need for magnetic detectorsseems feasible; but cost unknown so far. Critical: duty cycle. A nice *** idea to be followed up!
6He++ Li+++ e e
CERN: -beam baseline scenario
PS
Decay
RingISOL target & Ion source
SPL
Cyclotrons, linac or FFAG
Decay ring
Brho = 1500 Tm
B = 5 T
Lss = 2500 m
SPS
ECR
Rapid cycling synchrotron
MeV 86.1 Average
MeV 937.1 Average
189
1810
63
62
cms
cms
E
eFeNe
E
eLiHe
Nuclear Physics
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