Fizyka cz ˛astek: detektory - Zakład Cząstek i ...hep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/me12/wyklad07.pdf ·...

62
Fizyka cz ˛ astek: detektory prof. dr hab. A.F. ˙ Zarnecki Zaklad Cz ˛ astek i Oddzialywa ´ n Fundamentalnych IFD Wyklad VII Eksperymenty nieakceleratorowe Pomiary neutrin

Transcript of Fizyka cz ˛astek: detektory - Zakład Cząstek i ...hep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/me12/wyklad07.pdf ·...

Fizyka czastek:detektory

prof. dr hab. A.F.ZarneckiZakład Czastek i Oddziaływan Fundamentalnych IFD

Wykład VIIEksperymenty nieakceleratorowe

• Pomiary neutrin

NeutrinaPrzekrój czynnyPrzekrój czynny na oddziaływanie neutrin zmateria jest niewyobrazalnie mały.

Dla neutrin o energii rzedu 1 MeV

σνN ∼ 10−43 cm2 = 10−19 b

Odpowiada to sredniej drodze swobodnejw materii rzedu lat swietlnych !!!

Przekrój czynny na oddziaływanie neutrin zmateria rosnie z energia, ale tylko liniowo...

Badanie neutrin mozliwe jest tylko w opar-ciu o bardzo intensywnego zródła...

Słonce, promieniowanie kosmiczne, reaktory jadrowe, oddziaływania czastek...oraz ogromne detektory...

A.F.Zarnecki Wykład VII 1

Neutrina słoneczne

Produkcja neutrinSłonce jest nie tylko zródłem promieniowaniaelektromagnetycznego, ale tez niezwykleintensywnym zródłem neutrin elektronowych.

Ogromna wiekszosc neutrin pochodzi zreakcji p–p :

p + p → D + e+ + νe (Eν ≤ 0.42 MeV )

jednak wyzsze energie uzyskuja neutrina zreakcji “pep” :

p + e− + p → D + νe (Eν ≈ 1.44 MeV )

A.F.Zarnecki Wykład VII 2

Neutrina słoneczne

Produkcja neutrinDalsze reakcje syntezy 3He, 4He, 7Be i 7Li

prowadza do emisji dodatkowych neutrin.

Neutrina z przemiany 7Be

74Be + e− → 7

3Li + νe

maja jednak energie ponizej 1 MeV

A.F.Zarnecki Wykład VII 3

Neutrina słoneczne

Produkcja neutrinZródłem wysokoenergetycznych neutrin jestprzemiana 8B

85B → 8

4Be + e+ + νe

w której energia emitowanych neutrindochodzi do 15 MeV

Tylko te neutrina moga byc mierzone wdetektorach czastek elementarnych.

Np. w Super-Kamiokande mierzymyneutrina o Eν > 5–7 MeV...

A.F.Zarnecki Wykład VII 4

Neutrina słoneczneWidmo energiiWidmo energii neutrin elektronowychprodukowanych w reakcjach jadrowychna słoncu ⇒

Strumien neutrin o energiach ponizejkilku MeV moze byc zmierzony meto-dami radiochemicznymi: mierzymyprodukcje powstajacych izotopów:

νe + Cl → Ar + e−

(eksperyment Homestake)

νe + Ga → Gr + e−

(SAGE, GALLEX, GNO)

Tylko neutrina elektronowe !Ga Cl woda

A.F.Zarnecki Wykład VII 5

Neutrina

Eksperyment Super-Kamiokande

Japonia, w starej kopalni, 1 km pod góraKamioka, komora o wysokosci 40 m isrednicy 40 m, wypełniona woda

11’000 fotopowielaczy (50 cm srednicy!)rejestruje przechodzace czastki

rejestrowane jestpromieniowanie Czerenkowa

Jak mozna mierzyc tak małe sygnały(∼ 5MeV ) w tak ogromnym detektorze?

A.F.Zarnecki Wykład VII 6

Super-Kamiokande

A.F.Zarnecki Wykład VII 7

Napełnianie

A.F.Zarnecki Wykład VII 8

Super-Kamiokande

TłoMimo ogromnej masy detektora oczekiwano jedyni około 30 przypadków oddziaływanneutrin słonecznych na dobe.

Przypadki skrajnie niskich energii (rzedu 10 MeV) - koniecznosc redukcji tła.

Główne tło: naturalna promieniotwórczosc.Stezenie radonu w powietrzu w kopalnie ∼ 3000Bq/m3

⇒ hermetyczne drzwi, intensywna wentylacja powietrzem zewnetrznym

⇒ cała komora wyłozona spejcalna platikowa osłona zabezpieczajaca przed przenikaniemradonu ze skał

⇒ hermetyczny zbiornik, dopełniony specjalnie oczyszczonym powietrzem (3mBq/m3)pod cisnieniem wyzszym od atmosferycznego

⇒ intensywne filtrowanie wody (ok. 35 t/h, czyli cały detektor w ok. 2 miesiace)

A.F.Zarnecki Wykład VII 9

Super-Kamiokande

WyzwalanieSredni poziom sygnału z pojedynczego fotopowielacza: 3.5 kHz.

Układ wyzwalania wymagał przyjscia sygnału z wielu PMT w oknie czasowym 200 ns.

Srednia oczekiwana liczba zliczen: ok. 8.

Rózne progi wyzwalania:

• High Energy (HE) - 33 PMT

• Low Energy (LE) - 29 PMT

• Super Low Energy (SLE) - 24 PMT

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 2 4 6 8 10

LE triggerSLE trigger (May,97) (Sep,99) (Sep,00)

Reconstructed energy (MeV)

Trig

ger e

ffici

ency

2 4 6 8 10True electron total energy (MeV)

Próg wyzwalania mógł byc obnizany w miare oczyszczania detektora.

A.F.Zarnecki Wykład VII 10

Super-Kamiokande

Wyzwalanie

Typowy rozkład rekonstruowanych wierz-chołków po wstepnej selekcji przypadkówniskiej energii (próg 5 MeV).

Wyrazny wkład naturalnej promieniotwór-czosci scian komory.

Przerywana linia: “fiducial volume”obszar z którego wybieramy przypadki dodalszej analizy.

-2000

-1000

0

1000

2000

0 1000 2000 3000x 10

3

R2 (cm2)

Z (c

m)

A.F.Zarnecki Wykład VII 11

Super-Kamiokande

KalibracjaFotony przebiegaja w wodzie do 60 m- atenuacja swiatła musi byc dokładnieznana i monitorowana.

Mozna ja wyznaczyc z obserwacji sygnałuz rozpadu zatrzymujacych sie mionów.

Około 1500 “kalibracyjnych” rozpadów dzi-ennie.

Wystarcza do bardzo dokładnego moni-torowania zmian w skali tygodni.

70

80

90

100

Wat

er tr

ansp

aren

cy (m

)

(a)

260

265

270

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002Year

Mea

n ef

fect

ive

hits (b)

Average hits = 265.7+/- 0.5 percent+/- 1.0 percent

A.F.Zarnecki Wykład VII 12

Super-Kamiokande

KalibracjaKalibracja energetyczna: kluczowaprzy niskich energiach.

Główna metoda:własny akcelerator (!) 5-16 MeV(zakres energii mierzonych neutrin)

Wiazka wprowadzana pionowo wkilku wybranych punktach.

4000 cm

4200

cm

D1 MAGNET

D2 MAGNET D3 MAGNET

BEAM PIPE

LINAC

TOWER FOR INSERTING BEAM PIPE

1300 cm

A

B

C

D

E

F

H G

X

Z

Y

I

-12m -8m -4m

+12m

-12m

0m

A.F.Zarnecki Wykład VII 13

Super-Kamiokande

KalibracjaWyniki kalibracji przy pomocy akceleratora

Rozdzielczosc energetyczna

• 18.4% przy 5 MeV

• 14.2% przy 10 MeV

• 11.3% przy 20 MeV

Tłumaczac to na parametry kalorymetru

σ

E≈

1.2%√

E[GeV ]⊕ 7.6%

A.F.Zarnecki Wykład VII 14

Super-Kamiokande

Kalibracja

Wyniki kalibracji przy pomocy akceleratora

Skala energii

-0.01

0

0.01

(MC

- LI

NA

C)/L

INA

C (a)

-0.01

0

0.01

4 6 8 10 12 14 16Energy (MeV)

(b)

Rozdzielczosc

-0.05

0

0.05

(MC

- LI

NA

C)/L

INA

C (a)

-0.05

0

0.05

4 6 8 10 12 14 16Energy (MeV)

(b)

A.F.Zarnecki Wykład VII 15

Super-Kamiokande

KalibracjaWada akceleratora: tylko wybrane pozycjei jeden kierunek wiazki (pionowy).

Drugie narzedzie: “generator DT” - zródłoneutronów.

3H + 2H → 4He + n

Izotropowy strumien neutronów 14.2 MeV.

W oddziaływaniu z tlenem (w wodzie):

n + 16O → p + 16N

��������������

��������������

��������������

��������������

Stainless Ion SourceMagnet

EnvelopeVacuum

Ion Source

Vsource

Vtarget

ElementGas Reservoir

Anode

Anode

Target

Vaccel

AcceleratorAccelerator

Head

PulseForming

Electronics

AlEndcone

O-Ring

O-Ring

Spacer

Transformer

PVCEndcap

FeedthruEpoxy

16.5 cm

Oil Fill

150

cmLeakSensor

StainlessEndcap

Housing

A.F.Zarnecki Wykład VII 16

Super-Kamiokande

Kalibracja

Rozpady 16N dokładnie znane:

• 66%: 6.129MeV γ + 4.29MeV β

• 28%: 10.419MeV β

Time since Fire (sec)

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

15 20 25 30 35 40 45 50

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������

����������������������������������������

����������������������������

������������������������������������

����������������������������

������������������������������������

16

����������������������������

����������������������������

��������������������������������������������

��������������������������������������������

n

nnn

nn N16

2 m

(a) (b) (c)

E =14.2 MeVn

O(n,p) N16

Rozpady 16N mierzone po wyciagnieciu“generatora”

A.F.Zarnecki Wykład VII 17

Super-Kamiokande

KalibracjaMierzone rozkłady dla przypadków kalibracyjnych 16N :Energii

Energy (MeV)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

2 4 6 8 10 12 14

Połozenia wierzchołka

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

-1000 -500 00

5000

10000

15000

20000

25000

30000

-500 0 5000

5000

10000

15000

20000

25000

-500 0 500

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

-1000 0 1000

x-vertex (cm) y-vertex (cm) z-vertex (cm)

x-vertex (cm)

z-ve

rtex

(cm

)

y-vertex (cm)

z-ve

rtex

(cm

)

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

-1000 0 1000

A.F.Zarnecki Wykład VII 18

Super-Kamiokande

KalibracjaSkala energii nie zalezna od pozycji i kata emisji elektronu

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

-1500 -1000 -500 0 500 1000 1500z-position (cm)

(MC

-DA

TA

)/D

AT

A

r-position (cm)

(MC

-DA

TA

)/D

AT

A

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

-200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0 50 100 150 200 250 300 350Azimuthal Angle (degrees)

(MC

-DA

TA

)/D

AT

A

cos(Zenith Angle)

(MC

-DA

TA

)/D

AT

A

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

A.F.Zarnecki Wykład VII 19

Super-Kamiokande

Neutrino elektronowePrzypadek νe n → e−p

Krótki zasieg elektronu - “cienki” pierscien

Neutrino mionowePrzypadek νµ n → µ−p

Długa droga w wodzie - “gruby” pierscien.

Czasami widzimytez opózniony sygnał e− z rozpadu µ−.

A.F.Zarnecki Wykład VII 21

Particle identification

Time(ns) < 958 958- 963 963- 968 968- 973 973- 978 978- 983 983- 988 988- 993 993- 998 998-10031003-10081008-10131013-10181018-10231023-1028 >1028

Super-KamiokandeRun 3013 Event 14900496-10-24:19:39:51

Inner: 1763 hits, 4003 pE

Outer: 3 hits, 5 pE (in-time)

Trigger ID: 0x03

D wall: 897.4 cm

FC e-like, p = 463.8 MeV/c

00 500 1000 1500 2000

0

110

220

330

440

550

Times (ns)

amiokandevent 4753607:30

hits, 7763 pE

, 4 pE (in-time)

x03

cm

p = 1088.0 MeV/c

00 500 1000 1500 2000

0

118

236

354

472

590

Times (ns)

Single Cherenkov ring electron-like event

Single Cherenkovring muon-like event

Color: timing

Size: pulse height

Outer detector (no signal)

2

deg70 ..

)(..)'.(.)log( ∑

<

−=

θ

µ

σ ep

ore expectedepdobsepL

Particle ID

Particle ID results

0

25

50

75

100 DATA µ-like e-like

0

25

50

75

100

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8PID Parameter

MCµ-like e-like

CC νeCC νµ

NC

num

ber o

f eve

nts

/ 25.

5 kt

on y

r

Cosmic ray μ e from μdecay

ε=99%

Super-Kamiokande

Obserwacja neutrin słonecznychOddziaływania neutrin słonecznych mozemy odróznic od oddziaływan neutrinatmosferycznych mierzac kat rozproszenia elektronu wzgledem kierunku od słonca:

A.F.Zarnecki Wykład VII 22

Super-Kamiokande

“Zdjecie” Słoncaw “swietle” neutrin

rzeczywisty rozmiarSłonca ∼ 1

2 pixla

A.F.Zarnecki Wykład VII 23

Super-Kamiokande

Obserwacja neutrin słonecznychOddziaływania neutrin słonecznych mozemy odróznic od oddziaływan innych neutrinmierzac kat emisji elektronu wzgledem kierunku od słonca

Zmierzono:

Φ(B)S = 2.4 ± 0.1 · 106 1

s · cm2

Przewidywania:

Φ(B)S = 5.3 ± 0.6 · 106 1

s · cm2

Defeicyt neutrin słonecznych byłjuz mierzony w latach ‘60 XX w. !

Ale zrozumielismy to dopiero wwieku XXI.

A.F.Zarnecki Wykład 12 17

Super-Kamiokande

Neutrina słoneczneobserwowane w SKpochodza głównie zreakcji typu CC

νe + e− → e− + νe

e−

e−

+

νe

νe

W

Mozliwa jest tez detekcjaνe poprzez proces typuNC:

νe + e− → νe + e−

ee

o

−−

νeνe

Z

przekrój czynny ∼ 5 razymniejszy...

Ale proces typu NC mozliwy jesttez dla innych neutrin, np:

νµ + e− → νµ + e−

ee

o

−−

µν µν

Z

(takze dla ντ )

Pomiar Super-Kamiokande: ΦSK ≈ Φνe + 0.154 ·(

Φνµ + Φντ

)

A.F.Zarnecki Wykład VII 24

SNO

Eksperyment SNO (Sudbury Neutrino Observatory)

• ogromny zbiornik wypełniony7000 t wody (H20)

• w srodku kula wypełniona1000 t ciezkiej wody (D20)

• promieniowanie Czerenkowa mierzoneprzez ok. 9500 fotopowielaczy.

• całosc umieszczona na głebokosciponad 2000 m

A.F.Zarnecki Wykład VII 25

SNO

A.F.Zarnecki Wykład VII 26

Fotopowielacze

A.F.Zarnecki Wykład VII 27

Przypadek

A.F.Zarnecki Wykład VII 28

SNODetekcja neutrinJak w SK mozemy zmierzyc sygnał pochodzacy z rozpraszania neutrin na elektronach:

νX + e− → νX + e− (ES)

∼ Φνe + 0.154 ·(

Φνµ + Φντ

)

⇒ informacja o wszystkich typach neutrin

Zastosowanie ciezkiej wody umozliwia dodatkowo pomiar rozpraszania na deuterze:

+

e−

p

p

D (pn)

νe

W

νe + D → p + p + e− (CC)

∼ Φνe

⇒ informacja o neutrinach elektronowych

pD (pn)

n

o

νµνµ

Z

νX + D → p + n + νX (NC)

∼ Φνe + Φνµ + Φντ

⇒ informacja o wszystkich neutrinach

A.F.Zarnecki Wykład VII 29

SNO

WynikiWkłady od poszczególnych procesów mozna rozdzielic na podstawiemierzonych rozkładów energii i kata rozproszenia:

5 6 7 8 9 10 11 12 13

Eve

nts

per

500

keV

0

100

200

300

400

500

600

20→

NC + bkgdneutrons

ES

CC

Bkgd

(c)

(MeV)effT-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0

Eve

nts

per

0.05

wid

e bi

n

0

20

40

60

80

100

120

140

160

cos

ESCC

NC + bkgd neutrons

Bkgd

(a)

Eve

nts

per

0.1

wid

e bi

n 500

θ

A.F.Zarnecki Wykład VII 30

SNOWyniki (“Phase I” - D20)Z dopasowania uzyskujemy(w jednostkach 106 cm−2s−1):

ΦCC = 1.76 ± 0.05 ± 0.09 = Φνe

ΦES = 2.39 ± 0.24 ± 0.12

= Φνe + ε(Φνµ + Φντ)

(SK : 2.32 ± 0.09)

ΦNC = 5.09 ± 0.44 ± 0.46

= Φνe + Φνµ + Φντ

Przewidywania SSM

ΦSSM(νe) = 5.15 ± 0.950 1 2 3 4 5 6

0

1

2

3

4

5

6

7

8

)-1 s-2 cm6

(10eφ

)-1

s-2

cm

6 (

10τµφ SNO

NCφ

SSMφ

SNOCCφSNO

ESφ

Dobra zgodnosc dla całkowitego strumienia neutrin.W miejsce “brakujacych” νe obserwujemy νµ i ντ

Φ(νµ + ντ) = 3.41 ± 0.45 ± 0.48 ≈ 2 × Φνe (po równo)A.F.Zarnecki Wykład VII 31

SNO

Pomiar procesów NCNajwiekszy bład statystyczny ma pomiar strumienia w procesie NC.

Identyfikacja tych przypadków wymaga pomiaru niskoenergetycznych neutronów:

νX + D → p + n + νX

Eksperyment SNO próbował to zrobic na 3 sposoby:

• Phase I (1999-2001): pomiar oddziaływan neutronów z D2O

n + d → t + γ Eγ = 6.3MeV

• Phase II (2001-2002): pomiar oddziaływan neutronów z jadrami chloru

n + 35Cl → 36Cl + n γ∑

Eγ = 8.6MeV

• Phase III (2004-2006): pomiar przy uzyciu dedykowanych liczników

A.F.Zarnecki Wykład VII 32

SNOPhase IIOddziaływanie z jadrami chlorustało sie mozliwe gdy w roku2001 w dektorze SNO do wody...dosypano soli.

Jadra chloru maja duzo wiek-szy przekrój czynny na wych-wyt neutronu - ponad dwukrotniepodniosła sie efektywnosc rejes-tracji przypadków typu NC.

⇒ mniejszy bład statystycznyw pomiarze całkowitego stru-mienia neutrin

A.F.Zarnecki Wykład VII 33

SNO

Wyniki (Phase I + Phase II)

Z łacznego dopasowania(w jednostkach 106 cm−2s−1):

ΦCC = 1.68 ± 0.06 ± 0.09 = Φνe

ΦES = 2.35 ± 0.22 ± 0.15

= Φνe + ε(Φνµ + Φντ)

(SK : 2.32 ± 0.09)

ΦNC = 4.94 ± 0.21 ± 0.36

= Φνe + Φνµ + Φντ

Przewidywania SSM (nowe)

ΦSSM(νe) = 5.82 ± 1.34

A.F.Zarnecki Wykład VII 34

SNOPhase IIIPomiar neutronów przy pomocydedykowanych liczników.

Liczniki gazowe:mieszanka 3He : CF4.

n + 3He → p + t

Pojedynczy licznik: 2-3 m.

36 strun z licznikami rozmieszc-zonych na siatce 1 × 1m2

A.F.Zarnecki Wykład VII 35

SNOPhase IIIWyniki kalibracji

A.F.Zarnecki Wykład VII 36

SNO

Wyniki (Phase III)

Wyniki dopasowania(w jednostkach 106 cm−2s−1):

ΦCC = 1.67 ± 0.09 = Φνe

ΦES = 1.77 ± 0.26

= Φνe + ε(Φνµ + Φντ)

(SK : 2.32 ± 0.09)

ΦNC = 5.54 ± 0.48

= Φνe + Φνµ + Φντ

Przewidywania SSM (nowe)

ΦSSM(νe) = 5.69 ± 0.91

A.F.Zarnecki Wykład VII 37

Karsten Heeger, Univ. of Wisconsin EWNP Symposium, March 8, 2012

1980s & 1990s - Reactor neutrino flux measurements in U.S. and Europe

1995 - Nobel Prize to Fred Reines at UC Irvine

2003 - First observation of reactor antineutrino disappearance

Next - Discovery and precision measurement of θ13

1956 - First observation of (anti)neutrinos

Past Reactor ExperimentsHanfordSavannah RiverILL, FranceBugey, FranceRovno, RussiaGoesgen, SwitzerlandKrasnoyark, RussiaPalo VerdeChooz, France

Neutrino Physics at Reactors

2008 - Precision measurement of Δm122 . Evidence for oscillation

KamLAND

Chooz

Savannah River

Chooz

Daya BayDouble ChoozReno

55 years of liquid scintillator detectorsa story of varying baselines... 2

Daya Bay, Chiny

A.F.Zarnecki Wykład 12 32

EWNP Symposium, March 8, 2012 Karsten Heeger, Univ. of Wisconsin

far

Measuring θ13 with Reactor Experiments

νe

distance L ~ 1.5 km

νe,x νe,x

Near-Far Concept

Absolute Reactor FluxLargest uncertainty in previous measurements

Relative MeasurementRemoves absolute uncertainties!

θ13

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

0.1 1 10 100

N osc/N

no_o

sc

Baseline (km)

Δm213≈ Δm2

23

detector 1 detector 2

near

far/near νe ratio target mass distances efficiency oscillation deficit

8

First  proposed  by  L.  A.  Mikaelyan  and  V.V.  Sinev,Phys.  Atomic  Nucl.  63  1002  (2000)

EWNP Symposium, March 8, 2012 Karsten Heeger, Univ. of Wisconsin

Daya Bay Antineutrino Detection

→ + Gd → Gd*

0.3 b

49,000 b

→ + p → D + γ (2.2 MeV) (delayed)

νe + p → e+ + n

→ Gd + γ’s (8 MeV) (delayed)prompt+delayed coincidence provides distinctive signature

Prompt positron: carries antineutrino energy Ee+ ≈ Eν – 0.8 MeVDelayed neutron capture: tags antineutrino signal

~30μs ~8  MeV

Prompt Energy Signal Delayed Energy Signal

Prompt energy (MeV)0 2 4 6 8 10 12

Even

ts/0.

25 M

eV

0

500

1000

1500

2000

Data, DYB-AD1

MC

Delayed energy (MeV)0 2 4 6 8 10 12

Even

ts/0.

05 M

eV

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Data, DYB-AD1

MC

21

Anti-neutrino Detector (AD)

Target: 20 t, 1.6m-catcher: 20t, 45cmBuffer: 40t, 45cm

Total weight: ~110 t

Three zones modular structure: I. target: Gd-loaded scintillator-catcher: normal scintillatorIII. buffer shielding: oil

192 8” PMTs/module Two optical reflectors at the top

and the bottom, Photocathode coverage increased from 5.6% to 12%

2012-03-08 9

Muon Veto Detector Water Cerenkov detector

High purity de-ionized water in pools also for shielding

First stage water production in hall 4

Local water re-circulation & purification

RPCs 4 layers/module 54 modules/near hall, 81

modules/far hall 2 telescope modules/hall

Water Cerenkov detector Two layers, separated by

Tyvek/PE/Tyvek film 288 8” PMTs for near halls; 384

8” PMTs for the far hall

Two active cosmic-muon veto’s Water Cerenkov: Eff.>97% RPC Muon tracker: Eff. > 88%

2012-03-08 13

Two ADs Installed in Hall 1

142012-03-08

Hall 1(two ADs) Started the Operation on Aug. 15, 2011

152012-03-08

Automatic Calibration System Three Z axis:

One at the center For time evolution, energy scale, non-

linearity… One at the edge

For efficiency, space response One in the -catcher

For efficiency, space response 3 sources for each z axis:

LED for T0, gain and relative QE

68Ge (20.511 MeV ’s) for positron threshold & non-linearity…

241Am-13C + 60Co (1.17+1.33 MeV ’s) For neutron capture time, … For energy scale, response function, …

Once every week: 3 axis, 5 points in Z, 3 sources

2012-03-08 12

Trigger Performance

Threshold for a hit: AD & pool: ¼ PE

Trigger thresholds: AD: ~ NHIT=45, Etot= ~ 0.4 MeV Inner pool: NHIT=6 Outer pool: NHIT=7 (8 for far hall) RPC: 3/4 layers in each module

Trigger rate(EH1) AD singles rate:

>0.4MeV, ~ 280Hz >0.7MeV, ~ 60Hz

Inner pool rate: ~170 Hz Outer pool rate: ~ 230 Hz

2012-03-08 18

Event Reconstruction: Energy Calibration PMT gain calibration No. of PEs in an AD 60Co at the center raw energies,

time dependence corrected different for different ADs

60Co at different R & Z to obtain the correction function, space dependence corrected same for all the ADs

60Co at center

~% level residual non-uniformities

2012-03-08 23

Flashers: Imperfect PMTs

Spontaneous light emission by PMT Topology: a hot PMT + near-by

PMTs and opposite PMTs ~ 5% of PMT, 5% of event Rejection: pattern of fired PMTs

FlashersNeutrinos

Quadrant = Q3/(Q2+Q4)MaxQ = maxQ/sumQ

Inefficiency to neutrinos:0.024% 0.006%(stat)Contamination: < 0.01%2012-03-08 20

Neutrino Event Selection Pre-selection

Reject Flashers Reject Triggers within (-2 μs, 200 μs) to a tagged water pool muon

Neutrino event selection Multiplicity cut

Prompt-delayed pairs within a time interval of 200 μs No triggers(E > 0.7MeV) before the prompt signal and after the

delayed signal by 200 μs Muon veto

1s after an AD shower muon 1ms after an AD muon 0.6ms after an WP muon

0.7MeV < Eprompt < 12.0MeV 6.0MeV < Edelayed < 12.0MeV 1μs < Δte+-n < 200μs

2012-03-08 27

Event Signature and Backgrounds Signature:

Prompt: e+, E: 1-10 MeV, Delayed: n, E: 2.2 MeV@H, 8 MeV @ Gd Capture time: 28 s in 0.1% Gd-LS

Backgrounds Uncorrelated: random coincidence of n & nn

from U/Th/K/Rn/Co… in LS, SS, PMT, Rock, … n from -n, -capture, -spallation in LS, water & rock

Correlated: Fast neutrons: promptn scattering, delayed n capture 8He/9Li: prompt decay, delayed n capture Am-C source: prompt rays, delayed n capture -n: 13C(α,n)16O

nepe

2012-03-08 26

EH1‐AD1 EH2‐AD1 EH3‐AD1

Accidental Backgrounds: Cross Checks Prompt-delayed distance

distribution. Check the fraction of prompt-delayed pair with distance>2m

Off-window coincidence ‘measure’ the accidental background

Results in agreement within 1%.

Uncertainty: < 1%2012-03-08 30

Fast Neutrons Extend the prompt energy spectrum to high energy by

relax the prompt energy cut Fit the energy spectrum in the [12MeV, 100MeV] range,

and estimate backgrounds in the [0.7MeV, 12MeV] region Take a zero-order or first order polynomial fit, and take

their differences as systematics

312012-03-08

Backgrounds –8He/9Li Cosmic produced 9Li/8He in LS -decay + neutron emitter 8He/9Li ) = 171.7ms/257.2ms 8He/9Li, Br(n) = 12%/48%, 9Li dominant Production rate follow E

0.74 power law Measurement: Time-since-last-muon fit

Improve the precision by reducing the muon rate: Select only muons with an energy deposit

>1.8MeV within a [10us, 200us] window Issue: possible inefficiency of 9Li

Results w/ and w/o the reduction is studied

NIM A564 (2006)471

9Li yield

Error follows

2012-03-08 33

EWNP Symposium, March 8, 2012 Karsten Heeger, Univ. of Wisconsin

Uncertainty Summary

For near/far oscillation, only uncorrelated uncertainties are used.

Largest systematics are smaller than far site statistics (~1%)

Influence of uncorrelated reactor systematics reduced (~1/20) by far vs. near measurement.

38

Side-by-side Comparison Expected ratio of neutrino events from AD1 and AD2: 0.981 Measured ratio: 0.987 0.008(stat) 0.003

The ratio is not 1 because of target mass, baseline, etc.

This final check shows that systematic errors are under control

2012-03-08 46

EWNP Symposium, March 8, 2012 Karsten Heeger, Univ. of Wisconsin

Far vs. Near Comparison

Compare measured rates and spectra

Entri

es /

0.25

MeV

0

200

400

600

800 Far hall

Near halls (scaled)

Prompt energy (MeV)0 5 10

Far /

Nea

r (sc

aled

)

0.8

1

1.2No oscillationBest Fit

R = 0.940 ± 0.011 (stat) ± 0.004 (syst)

Clear observation of far site deficit (~6%).

Spectral distortion consistent with oscillation.** Caveat: Spectral systematics not fully studied; θ13 value from shape analysis is not recommended.

Mn are the measured rates in each detector. Weights αi,βi are determined from baselines and reactor fluxes.

39

EWNP Symposium, March 8, 2012 Karsten Heeger, Univ. of Wisconsin

Rate Analysis

Weighted Baseline [km]0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

expe

cted

/ N

dete

cted

N

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

EH1 EH2

EH3

13θ22sin0 0.05 0.1 0.15

2 χ

05

101520253035

σ1

σ3

σ5

Uses standard χ2 approach.

Far vs. near relative measurement.[Absolute rate is not constrained.]

Consistent results obtained by independent analyses, differentreactor flux models.

Estimate θ13 using measured rates in each detector.

sin22θ13 = 0.092 ± 0.016 (stat) ± 0.005 (syst)

sin22θ13 = 0 excluded at 5.2σ40

Oscylacje neutrin

Najnowsze wyniki marzec-kwiecien 2012

Eksperyment Daya Bay jako pierwszypotwierdził ponad wszelka watpliwoscoscylacje miedzy 1 i 3 generacja neutrin.Zmierzony “kat mieszania”:

sin θ13 = 0.092 ± 0.017

rózny od zera (efekt na poziomie 5.2σ)

Tym samym poznalismy juz wszystkiekaty mieszania neutrin

• θ12 z neutrin słonecznych

• θ23 z neutrin atmosferycznychA.F.Zarnecki Wykład 12 36