“ Fisica dei neutrini con particolare riferimento a ν map/file_present_dic05/mezzetto...Mauro...

Mauro Mezzetto

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare,

Sezione di Padova

“ Fisica dei neutrini con particolare riferimento a νµ → νe”

• Introduzione

• Cenni sugli impegni INFN in:

– doppio β decay

– esperimenti solari

– CNGS

• La proposta MARE per la misura della massa diretta del

neutrino.

• Cenni sugli esperimenti Long Baseline di terza generazione

• Esperimenti Long Baseline di seconda generazione

– T2K

– NOνA

M. Mezzetto, ” Fisica dei neutrini ”, INFN RoadMap, LNGS, 1 Dicembre 2005 1

The importance of ν oscillations.

They measure fundamental parameters of the standard model. Mixing angles, neutrino

masses and the CP phase δCP are fundamental constants of the standard model. Massive

neutrinos and in particular Majorana neutrinos would be a major extension of the model.

They are a probe of the GUT scales . The smallness of neutrino masses is connected to

the GUT scale through the see-saw mechanism.

They are directly linked to many fields in astrophysics and cosmology : baryogenesis,

leptogenesis, galaxies formation, dynamic of supernovae explosion, power spectrum of

energy anisotropies, etc.

They open the perspective of the measure of leptonic CP violation.


2850 WMA P First Year Wilkinson Microwave observations: determi-

nation of cosmologicalparameters.

2003

2493 S. Perlmutter et al., Measurements of Omega and Lambda from 42 high red-

shift supernovae.

1999

2462 SuperKamiokande Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos. 1999

2441 Adam G. Riess et al., Observational evidencefrom supernovae for an acceler-

ating universe and a cosmologicalconstant.

1998

2261 David J. Schlegel, Dou-

glas P. Finkbeiner, Marc

Davis,

Maps of dust I R emission for use in estimation of red-

dening and CMBR foregrounds.

1998

1523 WMA P First year Wilkinson Microwave observations: prelimi-

nary maps and basic results.

2003

1395 S. Tin g et al., Experimental observation of a heavy particle J. 1974

1307 B. Richter et al., Discovery of a narrow resonancein e+ e- annihilation. 1974

1275 J. Ashman et al., A measurement of the spin asymmetry in deepinelastic

muon - proton scattering.

1998

1211 COBE Structur e in the COBE dmr Þrst year maps. 1992

1186 CDF Observation of TOP quark production in anti- p p colli-

sions.

1995

1138 D0 Observation of the TOP quark. 1995

1109 SNO Measurement of t he rate of e + D p + p + e inter-

actions producedby B-8 solar neutrinos at t he Sudbury

Neutrino Observatory.

2001

1078 V.L. Fitch, J.W. Cronin et

al.

Evidence for t he 2 Pi decay of t he K(2)0 meson 1964

1053 SNO Direct evidencefor neutrino a flavor transform. from

neutral current interactions in the Sudbury Neutrino

Observatory.

2002

1052 CHOOZ Limits on neutrino oscillations from the Chooz experi-

ment .

1999

1026 S.W. Herb et al., Observation of a dimuon resonance at9.5-GEV in 400-

GEV proton - nucleuscollisions.

1977

1024 ARGUS Observation of B0 - anti-B0 mixing. 1987

1018 Homestake (R. Davis et

al.)

Measurement of the solar flux with the eHomestakhlorine detector .

1998

Top Cited 1000+ Sperimentali in QSPIRES (al 6/11/05)

ν −

ν

eνc

7

oltre 104 articoli con neutrino(s) nel titolo* (database: SLAC-SPIRES)

Premio Nobel 1988

Premio Nobel 1995

Premio Nobel

2002

Alcuni indicatori ...


Leptons are VERY different from quarks. (I)

u ∼ 5 MeV c ∼ 1 GeV t ∼ 175GeV

d ∼ 8 MeV s ∼ 0.1 GeV b ∼ 5GeV

e ∼ 0.5 MeV µ ∼ 0.1 GeV τ ∼ 2GeV

νe ≤ O(1 eV ) νµ ≤ O(1 eV ) ντ ≤ O(1 eV )

How can the same model generate mass ratio so different?

φ

ψ ψL R

φφ

ψψ c

λνΨRΦΨL + h.c.

mf = λfvL

αν

M νTLCΦT ΦνL + h.c.

mf = ανv2

M� LA new physics scale, M, can explain the new hierarchy (if at the GUT scale) and is associated to the

breaking of a global symmetry of the SM: total lepton number L.:


Leptons are VERY different from quarks. (II)

Neutrinos

UMNSP∼

⎛⎜⎜⎝

0.8 0.5 ?

0.4 0.6 0.70.4 0.6 0.7

⎞⎟⎟⎠

Quarks

VCKM∼

⎛⎜⎜⎝

1 0.2 0.005

0.2 1 0.04

0.005 0.04 1

⎞⎟⎟⎠

Solar+Atmospherics indicate a quasi bi-maximal mixing matrix, VERY DIFFERENT from CKM matrix (almost

diagonal)!

UMNSP =

⎛⎜⎜⎝

1 0 0

0 c23 s23

0 −s23 c23

⎞⎟⎟⎠

⎛⎜⎜⎝

c13 0 s13e−iδ

0 1 0

−s13eiδ 0 c13

⎞⎟⎟⎠

⎛⎜⎜⎝

c12 s12 0

−s12 c12 0

0 0 1

⎞⎟⎟⎠ ,

θ13 → 0 ⇒ The 3x3 mixing matrix becomes a trivial product of two 2x2 matrixes.

θ13 drives νµ → νe subleading transitions ⇒the necessary milestone for any subsequent search:

neutrino mass hierarchy and leptonic CP searches.


Most of the parameters are waiting to be measured

δm

m

m2

223

12 12

23

13

CP

θ

θ

νΣ

Mass hierarchy

Dirac/Majorana

θ

δ

ATMOSPHERICS

δ

δm223 = (2.4 +/- 0.4) 10 eV

2

SOLARS+KAMLAND

δm2

12= (8.2 +/- 0.6) 10 eV

2-5

ATMOSPHERICS

sin2(2 23θ ) >0.95

SOLARS+KAMLAND

sin2 (12

2θ ) =0.82+/-0.055

CHOOZ LIMIT

13θ < 140

Addressed by a SuperBeam/Nufact experiment

BETA DECAY END POINT

mν

Σ < 6.6 eV

-3


Impegni INFN nel doppio β decay senza neutrini

l’INFN e i LNGS hanno una chiara supremazia internazionale su questo tema centrale:

Heidelberg-Mosca (LNGS) Claim controverso di segnale su 76Ge:

T 0ν1/2 = 1.19 · 1025 years ⇒< mββ >= 0.05 − 0.85 eV (95%CL)

(l’incertezza viene dalla sistematica sul calcolo dell’elemento di matrice nucleare)

Cuoricino e attualmente il piu sensibile esperimento in corso, con un limite misurato su 130Te

T 0ν1/2 > 1.8 · 1024 years ⇒ mββ < .2 − 1.1 eV che non e pero in grado di escludere

completamente il claim di HM.

Esperimenti futuri gia approvati:

CUORE, 130Te, con una sensibilita mββ = 0.024 − 0.14 eV

GERDA (fase I), 76Ge, con una sensibilita mββ = 0.09 − 0.29 eV


Progressione temporale della misura di mν

1990 2000 2005 2010 2015

1990 1995 2000 2005 2010 2015

2 eV 0.2 eV

1995

Spettrometri

Calorimetri

Sandro Vitale

1985187Re

20 eV 2 eV 0.2 eV

20 eV

MANU

MIBETA

26 eV

MAINZ

TROITZK

spettrometri

elettrostatici

KATRIN

spettrometri

magnetici

20-10 eV

15 eV

MARE

2.2 eV

2.2 eV

(O. Cremonesi)


MAREMAREEsperimento per la misura diretta della massa del neutrino con tecnica calorimetrica (rivelatori a bassa temperatura) e sensibilita' minore dell'eV (0.1 sensibilita' minore dell'eV (0.1 -- 0.2 eV)0.2 eV)

●●Analisi dello spettro beta del Analisi dello spettro beta del 187187ReRe●●Approccio puramente calorimetricoApproccio puramente calorimetrico: sistematica completamente diversa da quella degli spettrometri

Due gruppi Italiani (Milano-Como e Genova) hanno sviluppato indipendentemente tecniche con sensibilita' su mν O(eV). Necessario ulteriore sforzo e tecniche migliorate:●Fusione dei due gruppi (e relative competenze)●Allargamento della collaborazione (ricerca di competenze a livello internazionale): NASA, Madison, Heidelberg, NIST, Boulder, MIAMI, PTB, Berlin

Parametri critici per la sensibilita':Parametri critici per la sensibilita':STATISTICA, RISOLUZIONE ENERGETICA, VELOCITA' DI RISPOSTA

●Microcalorimetri a bassa temperatura (10-100 mK) con risposte veloci (nuovi sensori/struttura)●Grandi matrici (N>10000)

Programma in due fasi:Programma in due fasi:●Completamento del programma basato sulle attuali tecnologie (MANU/MI-BETA): O(eV)●Sviluppo di enormi matrici basate su nuovi rivelatori

MARE Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment

A next generation neutrino mass experiment based on the calorimetric study of the 187Re beta spectrum

F. Gatti, G. Gallinaro, D. Pergolesi, P. Repetto, M. Ribeiro-Gomez University of Genova, Department of Physics, and INFN-Genova, Italy

R. Kelley, C.A. Kilbourne, F. S. Porter Goddard Space Flight Center, NASA, Maryland, USA

C. Enss, A. Fleischmann, L. Gastaldo University of Heidelberg, Kirkhhof-Institute of Physics, Germany

L. Foggetta, A. Giuliani, M. Pedretti, M. Prest, S. Sangiorgio University of Insubria (Como), Department of Physics and Mathematics,

and INFN-Milano, Italy C. Arnaboldi, C. Brofferio, S. Capelli, F. Capozzi, O. Cremonesi, E. Fiorini,1 P. Gorla, C. Nones, A.

Nucciotti, M. Pavan, G. Pessina, E. Previtali, M. Sisti University of Milano-Bicocca, Department of Physics, and INFN-Milano, Italy

B. Margesin, A. Monfardini ITC-irst, Trento, and INFN-Padova, Italy

D. McCammon University of Wisconsin, Madison, Wisconsin, USA

+ NIST, Boulder,

MIAMI UniversityPTB, Berlin

Completamento dei piani sperimentali di MIBETA e MANU (schiere di ~300 elementi)

Studio comune delle simulazioni, delle sistematiche, della struttura dello spettro e del BEFS

Ricerca e sviluppo in vista di una schiera di migliaia di elementi

MARE - Fase 1

Fasi Fasi sperimentalisperimentali

Realizzazione di un kit replicabile di 10000 elementi

Replica del kit di base almeno 5 volte

MARE - Fase 2

● Costo complessivo: ~6 Meuro (di cui ~50% a carico INFN)● R&D: 2006-2011● Presa dati: 2012-2015● Costo di operazione: ~300 kEuro/anno

Impegni INFN negli esperimenti solari

Gallex-GNO, concluso, ha giocato un ruolo assolutamente

centrale nella soluzione del puzzle dei neutrini solari, con la

misura integrata con soglia a Eν = 233 MeV.

Stainless Steel Water Tank18m ∅

Stainless SteelSphere 13.7m ∅

2000 8" Thorn EMI PMTswith light collectors

WaterBuffer

100 ton fiducial volume

Borexino Design

PseudocumeneBuffer

Steel Shielding Plates8m x 8m x 10cm and 4m x 4m x 4cm

Scintillator

Nylon Sphere8.5m ∅

Holding Strings

400 outward-pointing PMTs

Muon veto:

Nylon filmRn barrier

Borex Ha tuttora un potenziale di fisica molto interessante

con la misura differenziale dello spettro dei neutrini con soglia

sotto il MeV. Il tassello mancante per la definizione delle

oscillazioni solari. L’esperimento e schedulato in presa dati

per la fine del 2006.


2001

2010

2015

2020

year

At least 4 phases of Long Baseline experiments

1) 2001-2010. K2K, Opera, Icarus, Minos.

Optimized to confirm the SuperK evidence of oscillation of atmospheric

neutrinos through νµ disappearance or ντ appearance. They will have

limited potential in measuring oscillation parameters. Not optimized for

νeappearance (θ13 discovery).

2) 2009-2015. T2K (approved), Noνa, Double Chooz. Optimized to

measure θ13 (Chooz × 20) through νeappearance or νedisappearance.

Precision measure of the atmospheric parameters (1 % level). Tiny

discovery potential for CP phase δ, even combining their results.

3) 2015 - 2025. SuperBeams and/or Beta Beams. Improved sensitivity

on θ13 (Chooz × 200). They will have discovery potential for leptonic

CP violation and mass hierarchy for θ13 ≥ 1◦. In any case needed to

remove any degeneracy from Nufact results (see P. Hernandez et al.,

hep-ph/0207080)

4) Ultimate facility: Neutrino Factories or high energy Beta Beams.

Ultimate sensitivity on the CP phase δ, θ13 , mass hierarchy.

10

10

10

10

year

-5

-1

-2

-3

sin (2θ )2

13


Esperimenti Long Baseline - Fase I - Impegni INFN

Fascio CNGS, start: 2006OPERA• Quasi completamente

finanziato

• Primo supermodulo a partire

dal 2006

• Secondo supermodulo per il

run 2007

• τ appearance e θ13

ICARUS• Proposta originaria: 3000 ton

• Approvato 600 ton

• Complemento alle misure di

Opera + proton decay

• Sviluppi futuri attualmente in

discussione nella

collaborazione

Il fascio CNGS e stato approvato

per 4.5 · 1019 pot/anno. Il

possibile aumento di intensita del

50%, da negoziare con il CERN,

migliorerebbe il potenziale di fisica

degli esperimenti.

Chiara supremazia internazionale sul τ appearance.

Discreta visibilita su θ13 .M. Mezzetto, ” Fisica dei neutrini ”, INFN RoadMap, LNGS, 1 Dicembre 2005 11

Sub leading νµ − νe oscillations

L (km)

<E >=1.00 GeVsin2(2θ13)=0.01sin2(2θ12)=0.8δm 2

13 =2.5E-3 eVδm 2

12 =7.E-5 eVδ=0

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000

Solar peak

θ peak13

L (km)

δ=-π/2

JHFequivalentbaseline

CNGSequivalentbaseline

p(ν µ

ν e)

TotalSolarθ13CPevenCPodd

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

p(ν µ

ν e)

22

p(νµ → νe) = 4c213s

213s

223 sin2 ∆m2

13L

4E×

[1 ± 2a

∆m213

(1 − 2s213)

]θ13 driven

+ 8c213s12s13s23(c12c23cosδ − s12s13s23) cos

∆m223L

4Esin

∆m213L

4Esin

∆m212L

4ECPeven

∓ 8c213c12c23s12s13s23sin δ sin

∆m223L

4Esin

∆m213L

4Esin

∆m212L

4ECPodd

+ 4s212c

213{c2

13c223 + s2

12s223s

213 − 2c12c23s12s23s13cosδ} sin

∆m212L

4Esolar driven

∓ 8c212s

213s

223 cos

∆m223L

4Esin

∆m213L

4E

aL

4E(1 − 2s2

13) matter effect (CP odd)

θ13 discovery requires total

probability (∝ sin2 2θ13 )

greater than solar driven

probability

Leptonic CP discovery requires

ACP = P(νµ→νe)−P(νµ→νe )

P(νµ→νe)+P(νµ→νe )�= 0

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0 100 200 300 400 500L (km)

p(ν

µν e)

ν

ν


Esperimenti di terza generazione

Motivati dal fatto che comunque gli esperimenti di seconda generazione: T2K e NOνA, non potranno

misurare senza ambiguita tutti i parametri delle oscillazioni e in particolare non avranno sensibilita

sulla fase di CP δCP .

Il CERN e l’Europa hanno tutte le carte per riconquistare la leadership in questo campo.

Beta Beam: generato al CERN, inviato su un water Cerenkov ad acqua (500 kton) da installare al

Frejus. Opzioni di Beta Beam ad alta energia e fasci monocromatici generati da cattura elettronica

degli ioni, sono in fase di sviluppo.

Neutrino Factory I rivelatori di una Neutrino Factory sono densi e compatti e potrebbero essereinstallati nelle sale del CNGS. I rivelatori in considerazione sono uno spettrometro magnetico da 50kton, un rivelatore a emulsioni con il doppio della massa di Opera, un rivelatore ad Argon liquido incampo magnetico.

La scala dei tempi di queste facility e di 10-15 anni. Attualmente sono attivi i seguenti programmi,

cofinanziati dalla CE:

BENE: Network FP6 per lo studio di fasci di neutrini

EURISOL: FP6 Design Study (fisica nucleare) che comprende il Design Study del BetaBeam

ISS: International scoping study per una facility di fisica dei neutrini. Prepara anche il proposal del

Design Study per la neutrino factory in vista della prima scadenza FP7, probabilmente marzo 2007.


Esperimenti di seconda generazione

• T2K

• NOνA


JHF-Japan Hadron Facility at Jaeri

Neutrino beam from the 50 GeV - 0.75 MW

proton beam at the Hadron Facility at Jaeri,

Japan.

Taken off-axis to better match the oscillation

maximum at the SuperKamiokande location

(295 km).

K2K T2K

6 · 1012 Protons per pulse 3 · 1014

2.2 s Cycle 3.4 s

12 GeV Proton energy 50 GeV

40 Events in SK per year (no osc.) 2200

1.5 Mean neutrino energy 0.8

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 1 2 3 4 5Eν (GeV)

ν µ N

CC (

/100

MeV

/22.

5kt/y

r)

ON AXIS

OA 20

OA 30


Nuovo complesso di acceleratori a Jaeri• Finanziato, in costruzione

• Fasci di test: 2008. Neutrini: 2009.

Target Station

To Super-Kamiokande

FD

Decay Pipe

Far detector: SuperKamiokande

• Running dal 1996.

• 40% coverage ripristinato nel 2007

Close detector a 280 m

A carico dei gruppi extra-giapponesi

Pi-zeroDetector

TrackerTPCs FGDs

ECAL

beam

Magnetyoke

Magnetcoils

SMRD

Close detector a 2 km

Ancora non richiesto

Water Ch.

LArdetector

Muon counter

Surface building


Beam Power

0

005

0001

0051

0002

0052

0003

31025.210221025.110211025.010201025.900290025.80028002

YFJ

Bea

m p

ow

er (

kW)

rewop SCR

rewop RM

rewop RMpN 2x

rewop RMpN 2x

etar per 5.1x

rewop RMpN 2x

etar per 2x

Be

am

Po

we

r (M

W)

0

1

2

3

)raM-rpA( raeY lacsiF esenapaJ

21021102010290028002

1102YF morf CANIL VeM004

ν enil

.tsnoc

ν

issimmoc

gninoν nur syhp

Default option

Old default

(mostrata a HIF 2005)

Proposal


T2K νe appearance

OAB 2◦ νµ CC νµ NC νe CC Osc. νe

Generated in F.V. 10713.6 4080.3 292.1 301.61R e-like 14.3 247.1 68.4 203.7e/π0 separation 3.5 23.0 21.9 152.20.4 GeV< Erec < 1.2 GeV 1.8 9.3 11.1 123.2

05

1015202530354045

0 1 2 3 4 5Reconstructed E ν (GeV)

Expected Signal+BG

Total BG

BG from νµ

Sensitivity to θ13

10-4

10-3

10-2

10-1

10-3

10-2

10-1

1

90% C.L. sensitivities

JHF 5yearsWBBOAB 2deg.NBB 2GeVCHOOZ excluded

sin22θµe

∆m2 (

eV2 )

x20


La roadmap degli esperimenti long baseline

Year

Sin

2 2θ13

(90

%C

L)

Chooz ExcludedMINOS

OPERA

Double Chooz

T2K

NOνA

World limit

Computed with:δCP=0sign(∆m2)=+1

10-2

10-1

2006 2008 2010 2012 2014 2016


Altri temi di fisica di T2KMisura di precisione dei parametri atmosferici (νµ CC disappearance)

10-5

10-4

10-3

1 2 3 4 m2 (x10-3 eV2)

m

2sta

t.err

or

Present precision

∆

∆

10-3

10-2

10-1

m2 (x10-3 eV2)s

in2 2

st

at.err

or

θ∆

Present precision

1 432

Neutrini Sterili (νµ NC disappearance)

10-4

10-3

10-2

10-1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1sin2 2θ

∆m2 (

eV2 )

sM. Mezzetto, ” Fisica dei neutrini ”, INFN RoadMap, LNGS, 1 Dicembre 2005 20

Il rivelatore 280 m off-axis

• Spettro νµ CC: Tracker, SMRD

• Spettro νe CC: P0D, ECAL, Tracker

• Produzione π◦ in correnti neutre:

P0D, ECAL

• Sezione d’urto quasi elastici:

Tracker, SMRD

• Sezioni d’urto esclusive: Tracker,

ECAL, SMRD

Pi-zeroDetector

TrackerTPCs FGDs

ECAL

beam

Magnetyoke

Magnetcoils

SMRD


Il rivelatore 280 m off-axis (II)

• Collaborazione: Giappone,

USA, Canada, UK, Francia, Spagna,

Svizzera, Italia, Polonia, Russia,

Cina, Corea.

• Gruppi italiani: Napoli, Padova,

Roma1. 8 fisici.

• Magnete pronto nel 2008.

• Rivelatore pronto nel 2009.

• Costo totale stimato: 10 M$

• A carico dell’INFN 0.65 M$.

• Tutti i paesi a livello di funding

requests.

νν


Il magnete UA1/Nomad

Donato dal CERN all’esperimento T2K.

Attivita comune dei gruppi europei, sotto la responsabilita

dei gruppi italiani.

Le operazioni per il magnete sono:

• Test e manutenzione dello yoke, dei coils e dei supporti

(2006), 80 kEuro

• Meccanica per i movimenti del magnete, 40 kEuro

(2007)

• Power supply e connessioni elettriche, 160 kEuro

(2007).

• Cooling, distribuzione della corrente, sensori e monitor

della temperatura, pressione, posizione e movimenti, 40

kEuro (2006-2007)

• Struttura di supporto dei rivelatori e integrazione con i

rivelatori interni. 160 kEuro (2007-2008)

• Trasporto in Giappone. 400 kEuro. 2008

Totale: 880 kEuro: 120 nel 2006, 280 nel 2007, 480 nel

2008.

A carico dell’Italia: meta dei costi.


Il magnete UA1/Nomad (II)

• Schedula non tight ma rigida

• L’installazione del magnete

e chiaramente indispensabile per la

successiva installazione del rivelatore

a 280m.

• Va fatta con gru esterne prima

dell’installazione della copertura della

hall a 280 m.νν


ΝΟνΑ

Leslie CamilleriCERN, PH

November 23, 2005

NOνA is a Long Baseline experiment using the NUMI beam from Fermilab

Now being used for MINOS (732km) away.

It will be located 810 km from Fermilab at Ash River.

νµ νe oscillations θ13 and the mass hierarchy.

NOνA DetectorGiven relatively high energy of NUMI beam, decided to optimize NOνA for resolution of the mass hierarchyDetector placed 14 mrad (12 km) Off-axis of the Fermilab NUMI beam (MINOS).At Ash River near Canadian border (L = 810km) : New site. Above ground.Fully active detector consisting of 15.7m long plastic cells filled with liquid scintillator: Total mass 30 ktons, 15.7x15.7x130 m.Each cell viewed by a looped WLS fibre read by an avalanche photodiode (APD)

ν

760 000cells

TiO2CoatedPVC tubes

The BeamPROTONS: 6.5 x 1020 protons on target per year.

Greatly helped by Cancellation of BTeVTermination of Collider programme by 2009.

A gain of a factor of > 2 in numbers of protons delivered.

Longer term: Construction of an 8 GeV proton driver: x 4

25.2 x 1020 protons on target per year is the goal.

The Beam: x 2No antiproton production batches in Main Injector: x 11/9 = 1.22

No downtime for preparing collider shot. No time for antiproton transfer from accumulator to recycler. x 1.176

Transfer time of 12 booster batches to Main Injector (0.8 sec). Instead transfer them to recycler during Main Injector cycle,and then transfer in one go (0.067 sec) from recycler to Main Injector. :2.2 sec/1.467 sec = 1.5

1.22 x 1.176 x 1.5 x 3.4 x 1020 protons/year = 7.3 x 1020 protons/year

Negotiated 6.5 x 1020 protons/year with Fermilab management.

Status of NUMI/MINOS: Near detectorThey get ~ 2.5 x 1013 protons/spillSpill: either 2.2 or 3.8 secs. (Depends on antiproton cooling)Delivered so far: 0.8 x 1020.

With 2.5 x 1013 and 2 sec spill 2.5 x 1020/yearWith a factor of ~ 2 from stopping collider

~ 5 x 1020

Not Far off NOvA target…!

Event time in SpillStructure:Booster batches

Energy of CC eventsFor running in 3 configurations:Only target moved

Direction of trackIn CC eventsRelative to nominalbeam

CorrelationsIn vacuum and without CP violation:

P(νµ−νe)vac = sin2 θ23 sin2 2θ13 sin2 ∆atmwith ∆atm= 1.27 ∆m2

32 (L/E)

For ∆m232 = 2.5 x 10-3 eV2 and for maximum oscillation

We need: ∆atm = π/2 L(km)/E(GeV) = 495

For L = 800km E must be 1.64 GeV, and for L = 295km E = 0.6 GeV

Introducing matter effects, at the first oscillation maximum:P(νµ−νe)mat = [1 +- (2E/ER)] P(νµ−νe)vac

with ER = [12 GeV][∆m232/(2.5x10-3)][2.8 gm.cm-3/ρ]~ 12 GeV

+- depends on the mass hierarchy.Matter effects grow with energy and therefore with distance.

3 times larger (27%) at NOνA (1.64 GeV) than at T2K (0.6 GeV)

Resolution of mass hierarchyFraction of over which the mass hierarchy can be resolved at

qual amounts of neutrino and antineutrino running: 3 years each assuming Phase I.Near the CHOOZ limit the mass hierarchy can be resolved over 50% of the range of .

T2K Phase I can only resolve the hierarchy in a region already excluded by CHOOZ. Because of its lower energy.

Some small improvement if we combine T2K and NO A results

T2K

CHOOZ limitMINOS limit

OPERA limit

2011 limit

δ

δ

n

E

Near Detector to understand the beam262 T145 T totally active20.4 T fiducial(central 2.5 x 3.25 m)

8-plane block10.6 T full1.6 T empty

Muon catcher1 m iron

Target region

Veto region

9.6 m

5 m

3.5 m

Shower containment region

Cost and scheduleTotal cost (Far and near detectors, building, admin etc…)

164 M$ (including 50% contingency)

StatusApproved by Fermilab Program Advisory CommitteeGoing through reviews

ScheduleAssumption: Approval in 2006.Building ready: May 2009.First kiloton: October 2009.Completion: July 2011.

NOνA would welcome European groups

Possible CERN participation ? (LC interested).European groups already in NOνA:

Athens, College de France, Tech. Univ. Munich, Oxford, RutherfordSeveral Italian groups interested.

La Partecipazione Italiana

• Esiste gia’ un notevole nucleo di ricercatori interessati, nelle sedi di– Bologna– Ferrara– Padova– Pisa– RomaUna ventina circa di ricercatori, attualmente impegnati

per lo piu’ in esperimenti di CSN1Iniziativa sviluppatasi recentemente, quindi probabile

che l’interesse alla fine possa estendersi anche ad altre sedi

Partecipazione Italiana (II)• il gruppo italiano e’ convinto che il programma sperimentale di Nova

sia credibile e competitivo, se rispettera’ i tempi di approvazione e costruzione ora previsti

• sono iniziati i contatti con l’esperimento– Dic 2-3 Visita Fermilab, incontro col management di NOvA e

discussione dettagliata su possibili contributi italiani• in gennaio si vuole attivare il confronto con la comunita’ scientifica

italiana nell’ambito del percorso per la definizione della roadmap INFN:– Gen 06: Seminari in Italia da parte di uno spokesman di NOvA e

possibili incontri con il management– Feb 06: Richiesta di presentare la proposta di partecipazione a

NOvA alla CSN2

T2K vs NOVA

T2K: Approved and scheduled to start in 2009

NOνA: Proposal. Goal: start in 2011T2K NOνA

p-driver (MW) 0.75 0.8p beam energy (GeV) 50 120〈E(ν)〉 (GeV) 0.7 2L (Km) 295 810Off-Axis 2◦ 0.8◦ν CC (no osc.) (Kt yr) 100 80νe contamination (%) 0.4 0.5Mass (Kt) 50 30Material H2O LScint+PVCCoverage (mwe) 3000 10View 3D 2 × 2DDetector running since 1996 No prototypeSignal efficiency (%) 40 24π◦/νe (%) 80 60


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