29/04/2004M.G.Catanesi1 Neutrino Beams present, past and future

29/04/2004M.G.Catanesi2 Outlook Traditional Neutrino Beams Traditional Neutrino Beams (, κ μ e ) (, κ μ e ) Narrow beams (NNB) Wide Band (WNB) Super Beams Super Beams Off-Axis Neutrino –Factories (μ -> μ e ) Neutrino –Factories (μ -> μ e ) Beta Beams Beta Beams WANFCNGSNUMI K2K Miniboone

29/04/2004M.G.Catanesi3 A little bit of history : CERN 1960

Layout of a standard neutrino beams

Fasci primari Metodi di estrazione del fascio di protoni μsFast : protoni che hanno percorso una sola volta lSPS con una durata dellimpulso (spill) di qualche μs tipico della camere a bolle Fast/Slow : alcune centinaia di rivoluzione nellSPS spill di qualche ms (chorus/nomad) Slow : 10 5 giri spill 2s

29/04/2004M.G.Catanesi6 NNB or WNB ? Se non viene effettuata nessuna selezione in impulso dei secondari si parla di WNB I fasci NNB comportano una drastica diminuzione dellintensita dei neutrini prodotti. Sono da preferire solo se una selezione sullenergia dei neutrini e importante

29/04/2004M.G.Catanesi7 Bersagli, κ ) mediante interazione del fascio primario di protoni su un bersaglio In tutti I fasci neutrini il primo step e costituito dalla produzione di secondari (, κ ) mediante interazione del fascio primario di protoni su un bersaglio Il bersaglio e costituito da un insieme di barre cilindriche di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria e ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress meccanici e termici dovuti allintensita del fascio primario Il bersaglio e costituito da un insieme di barre cilindriche di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria e ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress meccanici e termici dovuti allintensita del fascio primario Il materiale classicamente utilizzato e il berillio (wanf al cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu recenti utilizzano lalluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS) Il materiale classicamente utilizzato e il berillio (wanf al cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu recenti utilizzano lalluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS) Dimensioni tipiche (Wanf 110cm, Miniboone 65 cm, k2k 60cm) Dimensioni tipiche (Wanf 110cm, Miniboone 65 cm, k2k 60cm) Il bersaglio di k2k

29/04/2004M.G.Catanesi8 HORNs: Focalizzazione delle particelle secondarie Lhorn non e nientaltro che una lente magnetica Nellhorn 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 dellhorn puo essere dedotto imponendo la condizione di emissione parallela Valori tipici al CERN-Wanf : 100KA, 65GeV, 8 gradi

29/04/2004M.G.Catanesi9 Horns:continua… LHorn 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 nellhorn corrisponde a selezionare particelle negative (antineutrini)

29/04/2004M.G.Catanesi10 CERN-WANF 1993 :esempio di ottimizzazione

29/04/2004M.G.Catanesi11 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 = S d x (V s – V 0 )/G Speciali diodi di riferimento permettono lintercalibrazione dei detectors Speciali runs con emulsioni nucleari permettono lavalutazione assoluta del flusso

29/04/2004M.G.Catanesi12 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

29/04/2004M.G.Catanesi13 Monitoring & allineamento * Il monitoring di un fascio neutrino e un elemento fondamentale per il suo funzionamento Viene normalmente fatto verificando il centramento e lintensita del fascio di protoni incidenti (BcTs et.c.) e verificando il profilo e lintensita dei muoni * The Alignment of the CERN West Area Neutrino Facility – Yellow Report – 96/06

29/04/2004M.G.Catanesi14 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

29/04/2004M.G.Catanesi15 Prodotti secondari: Spesso la mancanza di dati sperimentali e le differenze nei modelli adronici utilizzati rende la previsione del flusso di neutrini allesperimento 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

29/04/2004M.G.Catanesi16 Esperimenti di adroproduzione ExperimentProton ESome H.P. exp ref Ps169, Ps180, Ps181 ~ 20GeVAllaby et al. Eichten et al. CERN N.P. B44 (1972) CDHS, CHARM, BEBC ~400GeVNA20 (Atherton)CERN CHORUS, NOMAD, CNGS ~400GeVNA56/SPYSPSC K2K, MiniBooNE12.9 GeV, 8GeVHARPCERN- ps214 NuFact/SuperBea m designs ~2GeVHARP== Atm. Neutrinos>10GeVHARP/NA49CERN- ps214 SPSC MINOS120GeVHARP/NA49 FNAL E907 SPSC

29/04/2004M.G.Catanesi17 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 dellesperimento 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 3.32 o into the ground at FNAL, exits at Canadian border. 2 o 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 expt)

Minos Horn 1 Prototype

29/04/2004M.G.Catanesi21 Fasci tradizionali di bassa energia:Il fascio neutrino di k2k

29/04/2004M.G.Catanesi22 Flusso atteso di neutrini per k2k K2K far/near ratio Beam MC confirmed by Pion Monitor To be measured by HARP oscillationpeak

Il complesso del Fermilab

29/04/2004M.G.Catanesi24 Fasci tradizionali di bassa energia:Miniboone at FNAL

29/04/2004M.G.Catanesi25

29/04/2004M.G.Catanesi26 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 beam of ~1GeV Kamioka JAERI (Tokai-mura) x x disappearance e e appearance NC measurement 0.75 MW 50 GeV PS Super-K: 50 kton Water Cherenkov ~Mt Hyper Kamiokande 4MW 50GeV PS CPV proton decay 1st Phase 2nd 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 Beam x2~3 intense than NBB

Expected spectrum at JHF ~4500 tot int/22.5kt/yr ~3000 CC int/22.5kt/yr OA3° OA2° OA1° Osc. Prob.= sin 2 (1.27 m 2 L/E ) m 2 =3x10 -3 eV 2 L=295km osc.max.

29/04/2004M.G.Catanesi31 NBB vs Off-Axis Bending 2Tx4.5m (1.8Tx5m) 1° 2° 3° Kamioka OA2deg NBB horn Extremely High rad. Environment! Target/horn Side View

29/04/2004M.G.Catanesi32 Detectors Muon ~140m Behind the beam dump Fast (spill-by-spill) monitoring of beam direction/intensity First Front detector Neutrino Neutrino intensity/direction Study of neutrino interactions Second Front ~2km Almost same E spectrum as for SK Absolute neutrino spectrum Precise estimation of background Far 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 Beam NuMI LE Beam figures courtesy M.Messier

Neutrino Factory CERN layout e + e _ interacts giving oscillates e interacts giving WRONG SIGN MUON p/ s s = yr e yr yr yr Harp Data

29/04/2004M.G.Catanesi35 SPL HIPPI 300 MeV Neutrinos small contamination from e (no K at 2 GeV)

29/04/2004M.G.Catanesi36 The Alternative CERN RCS Scenario for the 4 MW NF Proton Driver

CERN reference scenario In order to produce 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 /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.

29/04/2004M.G.Catanesi38 The Target: The liquid Hg option

29/04/2004M.G.Catanesi40 Water-cooled granular target Ta-Spheres, = 16.8 g/cm R = 1mm Packing density ~60% (~140 spheres/cm 3 ) R = 10g/cm 3 Small spheres good for cooling: surface/volume~1.R Water cooling: v = 6m/s through 20% of cross-section V = 11l/s T =18K (20% of 4MW, S. Gilardoni) T =36K P =4-5 Bar Re ~ 10 4

29/04/2004M.G.Catanesi45 La proposta americana: solenoide da 20T

29/04/2004M.G.Catanesi46 Neutrino Factory Muon Cooling

29/04/2004M.G.Catanesi47

Esperimento recentemente approvato al RAL

Tracking devices T.O.F. III Precise timing Electron ID Eliminate muons that decay Tracking devices: Measurement of momentum angles and position T.O.F. I & II Pion /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 ) = MHz RF cavities Liquid H2 absorbers SC Solenoids; Spectrometer, focus pair, compensation coil TPG

Scenario alternativo proposto dai giapponesi

BETA Beam new idea by P. Zucchelli produce 6 He++, store, accelerate (100 GeV/u), store Q= MeV T/2 = s pure anti- e beam at 600 MeV or: pure e beam at 600 MeV oscillation signal: appearance of low energy muons no opposite charge neutrinos=> no need for magnetic detectors seems feasible; but cost unknown so far. Critical: duty cycle. A nice *** idea to be followed up! 6 He ++ Li +++ e e

CERN: -beam baseline scenario PS Decay Ring ISOL target & Ion source SPL Cyclotrons, linac or FFAG Decay ring Brho = 1500 Tm B = 5 T L ss = 2500 m SPS ECR Rapid cycling synchrotron Nuclear Physics