Neutrino Factories Alessandra Tonazzo Universit Roma Tre IFAE

Neutrino Factories Alessandra Tonazzo Università Roma Tre IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 1

Yellow Report CERN-2004 -002 ECFA/04/230 Ulteriori informazioni: http: //muonstoragerings. cern. ch Altri studi in corso per la realizzazione di una Neutrino Factory: ►USA http: //www. cap. bnl. gov/mumu/ mu_home_page. html ►UK http: //hepunx. rl. ac. uk/ neutrino-factory/ ►Giappone http: //www-prism. kek. jp/ nufactj/index. html IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 2

Misura dei parametri delle oscillazioni di n atmosferici Super-K P( → ) m 223=(2. 0± 0. 4)10 -3 e. V 2 0. 9<sin 2 23<1 fase d CP leptonica Chooz sin 2(2 13)<0. 1 solari Solari+KAMLAND P( e→ x) m 212=(7± 1)10 -5 e. V 2 0. 2<sin 2 12<0. 5 Il futuro: Esperimenti “Long Baseline” • • 2001 -2010: K 2 K, CNGS, Minos → conferma risultati SK/atmosferici 2009 -2015: T 2 K, Minos off-axis, Chooz 2 → 13, precisione su atmosferici 2015 -2025: Super e/o Beta-Beam → 13 -d. CP (correlati), gerarchia di massa >2020: Neutrino Factories – Fase di violazione di CP nel settore leptonico – Gerarchia di massa – Misura di precisione di tutti i parametri delle oscillazioni IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 3

La Neutrino Factory • Intensità maggiore dei fasci tradizionali di un fattore 2 • Composizione e spettro del fascio ben determinati • Flusso noto senza bisogno di MC adronici (incertezze <1%) Neutrino Factory Fascio Convenzionale IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 4

Oscillazioni a una Neutrino Factory Disappear. Appearance (“golden”) Appearance (“silver”) e i coniugati partendo da m+ 4 classi di eventi rivelati èElettroni èMuoni di segno “giusto” èMuoni di segno “sbagliato” (= OSCILLAZIONI) èNessun leptone (o t…) m 223 = 0 3. 5 x 10 -3 e. V 2 7. 0 x 10 -3 e. V 2 IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 5

Richieste su fascio e rivelatori • Fascio di alta intensità – 1020 -1021 decadimenti di all’anno – Energia il più possibile elevata… ma con gli effetti di materia lo scaling L/E non è più valido per L>4000 km Valori ottimali: L~1000 -4000 km E~ 20 -50 Ge. V • Rivelatore – Massa elevata (>10 kton) – Almeno identificazione dei e della loro carica – Meglio se identifica anche e± e t IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 Esempio: Numero di eventi con Rivelatore 10 kt, 1021 , E =30 Ge. V e L=3000 km Carica del Tipo di evento - CC 134362 NC 39952 e CC 52000 NC 18054 CC 60010 NC 21067 e CC 117369 m NC 34558 + N eventi A. Tonazzo –Neutrino Factories / 6

Principio di realizzazione di una N. F. p p p Iniettore Raccolta p - ee. Riduzione Accelerazione fascio m emittanza m Ogni elemento richiede un programma di Ricerca e Sviluppo dedicato Molte attività sono già in corso: European Neutrino Group sponsorizzato da ECFA e BENE (Network UE) HIPPI (High Energy Pulsed Proton Injector) --- Proton Rings --- Targetry --Pion Collection --- Muon Frontend --- Muon Accelerator and Storage Rings --Neutrino Physics Working Group IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 7

Un possibile layout al CERN IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 8

Produzione dei pioni La scelta dell’energia dei protoni e del bersaglio dipenderanno dai risultati di HARP (cfr E. Radicioni) Principali difficoltà per il bersaglio: enorme densità di energia (4 MW) raccolta dei pioni Replace target between bunches: Stationary target: Liquid mercury jet or rotating solid target Proposed rotating tantalum target ring Densham IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 Sievers A. Tonazzo –Neutrino Factories / 9

Raccolta dei pioni Opzione preferita: corno magnetico Current of 300 k. A p Protons B=0 Prototipo di 1 m realizzato al CERN B 1/R IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 10

Riduzione dell’emittanza dei m Accelerato Accettanza dell’acceleratore R 10 cm, x’ 0. 05 rad riscalata @ 200 Me. V p e dopo la focalizzazione E’ necessario ridurre l’emittanza del fascio di muoni per poterli iniettare nel sistema di accelerazione • Emittanza longitudinale ► rotazione di fase • Emittanza trasversa ► raffreddamento per ionizzazione IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 11

Rotazione di fase Riduzione della dispersione in energia tramite cavità RF Esempio: con 30 cavità RF Me. V 300 100 E 300 Me. V (2 MV/m, 44 MHz, L=1 m, B=1. 8 T) E = 200 50 Me. V 200 100 Al CERN si stanno ora realizzando cavità a 88 MHz IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 12

Raffreddamento per ionizzazione dei m principle: this will surely work. . ! reality (simplified) …. maybe… (da A. Blondel) Mai realizzato sperimentalmente: è necessario costruire un prototipo realistico e verificare che le prestazioni siano adeguate alle necessità della Neutrino Factory. IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 13

L’esperimento MICE Proposal sottomesso Gennaio 2003 10% cooling of 200 Me. V/c muons requires ~ 20 MV of RF single particle measurements => measurement precision can be as good as D ( e out/e in ) = 10 -3 never done before either…. Coupling Coils 1&2 Spectrometer solenoid 1 Matching coils 1&2 Focus coils 1 Focus coils 2 Focus coils 3 Matching coils 1&2 Spectrometer solenoid 2 m Beam PID TOF 0 Cherenkov TOF 1 Diffusers 1&2 Incoming muon beam IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 RF cavities 1 RF cavities 2 Liquid Hydrogen absorbers 1, 2, 3 Downstream particle ID: TOF 2 Cherenkov Calorimeter Trackers 1 & 2 (da A. Blondel) measurement of emittance in and out A. Tonazzo –Neutrino Factories / 14

MICE al RAL (da A. Blondel) IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 15

Fasi della realizzazione di MICE m - STEP I: (da A. Blondel) spring 2006 STEP II: summer 2006 STEP III: winter 2007 STEP IV: spring 2007 STEP V: fall 2007 STEP VI: 2008 IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 16

Accelerazione e decadimento dei m • 2 ricircolatori – un sincrotrone sarebbe troppo lento rispetto a t • sezioni rettilinee + archi – non è possibile aumentare i campi magnetici curvanti da un giro all’altro: diversi canali di curvatura negli archi • Anello di decadimento –Geometria ad anello Precessione dello spin, che consente la misura della polarizzazione (utile per la conoscenza precisa del fascio) • Sezioni rettilinee dirette verso 2 stazioni sperimentali a diverse distanze IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 17

Opzioni per il rivelatore (1) Monolith Ferro Magnetizzato • Possibilità di grande massa a basso costo • Identificazione della carica del • Diverse possibilità per la scelta degli elementi attivi – RPC in vetro (Monolith) – Barre di scintillatore (LMD) IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 18

Opzioni per il rivelatore (2) Argon Liquido Emulsioni nucleari • Permettono la ricostruzione dei vertici di decadimento del t, quindi l’identificazione del canale di oscillazione e→ t (“silver channel”) IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 19

Misure dei parametri di oscillazione 1) Parametri dell’oscillazione “leading” (atmosferica) nm→nt P( ) 1 - sin 2 23( m 223 L/E) dalla sparizione di muoni di “segno giusto” 2) q 13 (cfr M. Apollonio) e muoni di “segno sbagliato” Sensibilità limitata dal fondo ( di segno sbagliato anche da D, K, p…) (M. Mezzetto) sin 2 23 m 223 IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 Precisione <1% A. Tonazzo –Neutrino Factories / 20

Misure dei parametri di oscillazione 3) Effetti di materia: segno di Dm 23 Le oscillazioni e→ nel vuoto sono sensibili solo a | m 23| Gli effetti di materia modificano i parametri efficaci dell’oscillazione in modo asimmetrico per ee e Confronto di e→ e e→ ( “segno sbagliato”) in run alternati con + e - IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 Occorre L>2000 km per distinguere gli effetti da quelli di d. CP A. Tonazzo –Neutrino Factories / 21

Misura della fase di violazione di CP leptonica È l’argomento più forte per la realizzazione di una Neutrino Factory Metodi per la misura di d • Confronto della probabilità di oscillazione e→ con una previsione teorica – dipendenza dal modello e dagli altri parametri delle oscillazioni • Confronto, in funzione di E , di appearance di da fascio di - con appearance di da fascio di + – sovrapposizione con effetti di materia – tempo di misura più che raddoppiato (s bar<s ) • Confronto, in funzione di E , di appearance di e da e di da e – serve la misura della carica dell’elettrone e un accurato controllo delle sistematiche IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 22

Misura della fase di violazione di CP leptonica P( e )-P( e)=c 213 sin 2 12 s 13 sin 2 23[sin 2 12 sin 2 13+sin 2 23] Per E =30 -50 Ge. V e tenendo conto degli effetti di materia, la significatività della misura è massima per L~3000 km IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 L’asimmetria è misurabile solo se i termini che la moltiplicano sono abbastanza grandi: dipendenza dagli altri parametri delle oscillazioni ( 13>0. 5°) A. Tonazzo –Neutrino Factories / 23

Fit simultaneo di q 13 e • • Ad E ed L fissate, le equazioni per le probabilità di oscillazione calcolate per dati valori di ( 13, d) definiscono curve di equiprobabilità nel piano ( 13, d) Fit simultaneo a diverse baseline (Nucl. Phys. B 608 (2001) 301) L=732 km e L=2180 km IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 L=2180 km L=7332 km A. Tonazzo –Neutrino Factories / 24

Dove è meglio fare turni ? IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 25

Fit simultaneo di q 13 e • Le probabilità per e→ e e→ t hanno dipendenza da d con segno opposto, che può essere usato per risolvere le ambiguità è Riconoscere e→ t (“silver channel”) con un rivelatore in grado di identificare i vertici di decadimento del t (Icarus, Opera) Esempio: 2 x. Opera (4 kt) a L=732 km + 40 kt Fe magnetizzato a L=3000 km (Nucl. Phys. B 646: 321 -349, 2002) (Eur. Phys. J. C 33: 243 -260, 2004 ) IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 26

Sensibilità di Nu. Fact IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 27

Fit simultaneo di q 13 e Nu. Fact vs Super Beam + Beta. Beam d. CP Sinergia di Nu. Fact e Super Beam Nu. Fact 13 IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 13 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 28

Altre possibilità di Fisica a una N. F. • Beta-Beam (P. Zucchelli, Phys. Lett. B 532 (2002) 166) – La N. F. del CERN offre la possibilità dell’opzione “Beta-Beam”: facendo circolare nell’anello di accumulazione un fascio accelerato di ioni radioattivi che decadono b+ o b-, p. es. 16 He o 18 Ne, si produce un fascio di soli e o e – Può essere ottimizzato per la misura di m 23, dà accesso diretto a 13, e a d. CP se combinato con il fascio del SPL • Fisica non legata alle oscillazioni dei neutrini – – DIS Misura delle sezioni d’urto di interazione dei neutrini Funzioni di struttura polarizzate Produzione di singoli barioni con charm e beauty • Verso la realizzazione di un collisore … IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 29

Ricapitolando… • La Neutrino Factory sarebbe la fase più avanzata sulla strada verso la conoscenza delle oscillazioni dei neutrini – Fase di violazione di CP nel settore leptonico – Gerarchia di massa – Misura di precisione di tutti i parametri delle oscillazioni • … e potrebbe essere il primo passo verso la realizzazione di un collisore • Molti programmi di R&D sono in corso, sponsorizzati dall’ECFA e dal nuovo Network EU BENE • L. Foà, presentazione plenaria IFAE 14/04/04: “la fisica leptonica procede lenta ma sicura” • La comunità prosegue con entusiasmo il lavoro, ma… IFAE 04 - Torino, 14 -16 Aprile 2004 A. Tonazzo –Neutrino Factories / 30