GDR Neutrino Marseille, 14/3/2005 J. Bouchez CEA-Saclay Implication française dans K2K et T2K Une stratégie par étapes L’expérience K2K Le projet T2K 1.

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1 GDR Neutrino Marseille, 14/3/2005 J. Bouchez CEA-Saclay Implication française dans K2K et T2K Une stratégie par étapes L’expérience K2K Le projet T2K 1. Avancement du projet 2. Les détecteurs proches 3. La position intermédiaire (2 km)

2 MISE EN PERSPECTIVE DE LA PARTICIPATION FRANCAISE AU PROGRAMME JAPONAIS Il existe maintenant un programme sur accélérateurs cohérent et par étapes pour compléter notre connaissance de la matrice de mélange des neutrinos (angle   et  CP )

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4 MISE EN PERSPECTIVE DE LA PARTICIPATION FRANCAISE AU PROGRAMME JAPONAIS Il existe maintenant un programme sur accélérateurs cohérent et par étapes pour compléter notre connaissance de la matrice de mélange des neutrinos (angle   et  CP ) Stratégie choisie: Phase 1 : participation à K2K Phase 2 : participation à T2K Phase 3 : Projet européen CERN-Fréjus maintenant horizon 2009 horizon 2016

5 MOTIVATIONS: Continuité thématique Continuité technologique (Cerenkov à eau) Insertion dans une dynamique europénne (Espagne, UK, Italie, Suisse) et mondiale (Europe, Amérique, Japon) Avoir des données à analyser à tout instant S’adapter aux choix stratégiques

6 PARTICIPATION A K2K J.Bouchez, C.Cavata, J.Mallet, F.Pierre J.Argyriades, M.Fechner Entrée dans K2K en décembre 2002 K2K I  juillet 2001 K2K II Janvier 2003  nov 2004 But de K2K: confirmer la disparition des  atmosphériques K2K II : améliorer le résultat en doublant la statistique et en installant un nouveau detecteur en position proche

7 Separation e/ 

8 Ring-counting likelihood for SK-2  -like events sub-GeV P<400MeV/csub-GeV P>400MeV/c multi-GeV

9 PID distributions for SK-2 sub-GeV (Evis<1330MeV) multi-GeV (Evis>1330MeV)

10 neutrino 2004

11 2. K2K experiment  monitor  monitor Near detectors (ND) ++  Target+Horn 200m decay pipe SK 100m ~250km  12GeV protons ~10 11   /2.2sec (/10m  10m) ~10 6   /2.2sec (/40m  40m) ~1 event/2days  Signal of oscillation at K2K Reduction of  events Distortion of  energy spectrum (monitor the beam center)

12 4. Near detector measurements 1KT Water Cherenkov Detector (1KT) Scintillating-fiber/Water sandwich Detector (SciFi) Lead Glass calorimeter (LG) before 2002 Scintillator Bar Detector (SciBar) after 2003 Muon Range Detector (MRD) Muon range detector

13 PRINCIPE DE L’ANALYSE 1.RATE: On compare les nombres d’événements dans SK et le Cerenkov proche, et on compare leur rapport à celui prédit par le Monte-Carlo du faisceau validé par la mesure des pions produits apres les cornes dans le pion monitor (PIMON) 2. SPECTRE: on mesure le spectre des événements 1-ring  -like à SK, en supposant que ce sont des QE. Le biais introduit est déterminé depuis la mesure des diverses topologies présentes (non QE) dans les détecteurs proches (SciFi, SciBar) 3. PARAMETRES D’OSCILLATION: déterminés par un maximum de vraisemblance £ rate + £ shape + £ syst

14 Neutrino spectrum and the far/near ratio beam 250km 10 -6 1.0 2.0 Far/Near Ratio E  (GeV) beam MC w/ PION Monitor E (GeV)  energy spectrum @ K2K near detector

15 SK Events (BG: 1.6 events within  500  s 2.4×10 -3 events in 1.5  s) T SK T spill GPS SK TOF=0.83msec 108 events Decay electron cut.  20MeV Deposited Energy No Activity in Outer Detector Event Vertex in Fiducial Volume More than 30MeV Deposited Energy Analysis Time Window  500  sec  5  sec T DIFF. (s) - 0.2  T SK - T spill - TOF  1.3  sec

16 NEUT: K2K Neutrino interaction MC CC quasi elastic (CCQE) –Smith and Moniz with M A =1.1GeV CC (resonance) single  (CC- 1  ) –Rein and Sehgal’s with M A =1.1GeV DIS –GRV94 + JETSET with Bodek and Yang correction. CC coherent  –Rein&Sehgal with the cross section rescale by J. Marteau NC + Nuclear Effects  /E (10 -38 cm 2 /GeV) E (GeV)

17 4.1 1KT Flux measurement The same detector technology as Super-K. Sensitive to low energy neutrinos. Far/Near Ratio (by MC)~1×10 -6 N SK exp =150.9N SK obs =108 +11.6 -10.0 Systématiques dominantes: 5% sur F/N, 5% sur M SK /M KT

18 4.2 SciBar neutrino interaction study. Full Active Fine-Grained detector (target: CH). –Sensitive to a low momentum track. – Identify CCQE events and other interactions (non- QE) separately.  p CCQE Candidate CCQE non-QE 25  p (degree)  p  DATA CC QE CC 1  CC coherent-  CC multi-  2 track events p

19 A hint of K2K forward  deficit. SciBar non-QE Events K2K observed forward  deficit. –Source is non-QE events. –For CC-1 , Suppression of ~q 2 /0.1[GeV 2 ] at q 2 <0.1[GeV 2 ] may exist. –For CC-coherent , The coherent  may not exist. –We do not identify which process causes the effect. The MC CC-1  (coherent  ) model is corrected phenomenologically. Oscillation analysis is insensitive to the choice. q 2 rec (Data-MC)/MC DATA CC 1  CC coherent-  Preliminary q 2 rec (GeV/c) 2

20 K2K-SK events K2K-alll (K2K-I, K2K-II) DATA (K2K-I, K2K-II) MC (K2K-I, K2K-II) FC 22.5kt 108 (56, 52) 150.9 (79.1, 71.8) 1ring 66 (32, 34) 93.7 (48.6, 45.1 )  -like 57 (30, 27) 84.8 (44.3, 40.5) e-like 9 (2, 7) 8.8 (4.3, 4.5) Multi Ring 42 (24, 18) 57.2 (30.5, 26.7) K2K-I(47.9×10 18 POT), K2K-II(41.2×10 18 POT)

21 150.9 108 #SK Events Expected shape (No Oscillation) E rec [GeV] KS probability=0.11% V: Nuclear potential Toy MC CC-QE assumption

22 Best fit values. –sin 2 2  1.53 –  m 2 [eV 2 ] = 2.12  10 -3 Best fit values in the physical region. –sin 2 2  1.00 –  m 2 [eV 2 ] = 2.73  10 -3  logL=0.64 Oscillation results sin 2 2  =1.53 can be occurred by statistical fluctuation with 14.4%. A toy MC sin 2 2 m2m2 1.00 2.73 14.4% 1.53

23  disappearance versus E shape distortion sin 2 2 m 2 [eV 2 ] N SK (#  ) E shape Both disappearance of  and the distortion of E spectrum have the consistent result.

24 Null oscillation probability K2K-IK2K-IIK2K-all  disappearance 2.0%3.7%0.33% (2.9  ) E spectrum distortion 19.5%5.4%1.1% (2.5  ) Combined 1.3% * (2.5  ) 0.56% (2.8  ) 0.011% (3.9  ) K2K confirmed neutrino oscillation discovered in Super-K atmospheric neutrinos. Disappearance of  and distortion of the energy spectrum as expected in neutrino oscillation. The null oscillation probabilities are calculated based on lnL.

25 8. Summary has confirmed 3.9 With 8.9×10 19 POT, K2K has confirmed neutrino oscillations at 3.9 . 2.9  –Disappearance of  2.9  2.5  –Distortion of E spectrum 2.5  K2K new results - 68% - 90% - 99%

26 7. Other Physics in K2K (based on K2K-I data) M  (MeV)  +H 2 ONC1 0 sin 2 2 e m 2 [eV 2 ] 90%CL limit 90%CL sensitivity   e search PRL accepted =0.064 (prediction) =0.065 0.0010.007 not NC1 0 preliminary Will be updated with K2K II data

27 LE PROJET T2K (Tokai to Kamioka) Japon: KEK, ICRR Tokyo, Hiroshima, Kobe, Kyoto, Miyagi,Osaka, Tohoku, Tokyo (45) Chine: IHEP (4) Corée (10) Canada: Alberta, Regina, Toronto, TRIUMF, Victoria, York (20) USA: ANL, Boston, BNL, Berkeley, Irvine, Cal.State, Hawai, LANL, Louisiana, MIT, Rochester, Stony Brook, Washington Pennsylvania (27) Espagne: Barcelone, Valence (5) Italie: Bari, Naples, Padoue, Rome (7) Pologne (1) Russie (4) Suisse: Geneve (2) UK: RAL, IC, Queen Mary, Liverpool (7) J.Bouchez, D.Calvet, C.Cavata, A.Delbart, F.Pierre, M.Zito J.Argyriades, M.Fechner

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29 GeV 10 6 /cm 2 an total (CC) a SK/an 0.77 MW 10 21 POT/an 3 10 14 ppp (5µs) 0.3 Hz

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32 T2K Off-axis beam Off-axis angle 2 a 3 degres

33 OAB2 o 5 ans 22.5kT  (CC)  (NC) e (Beam) e (Osc.) Générés107134080292301 0.4<E<1.21.89.311.1123 sin 2 2  13 =0.1  sin 2 2  13 =0.01 T2K : mesure de sin 2 2  13  signal =123/301=41% ;  sin 2  23  =0.56 En 2015 (5ans), “à  =0” sin 2 2  13 <0.0060(2.2 o ) @ 90% CL (stat.) sin 2 2  13 <0.0064(2.3 o ) @ 90% CL (stat.+syst 10%BG)

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35 Expected Beam Power

36 10ton crane 5m crane height 24m 33m 37m Ground floor is 9m above the sea level Target level is 1.69m below the sea level On-axis center is 20m below the sea level (off-ax 2.5 case) Off-axis detector center is 10m below the sea level Sea level Off-axis detector On-axis detector B1 B2 B3 Current Design Side view

37 On-axis neutrino detector 1 module (the size is not fixed yet) Generate 1day data Event selection criteria  Veto has no hit  Tracker has at least 2hits 023451 E spectrum E (GeV) @Beam center Generated…56850/day Tracker Cut…43192/day(76%) Veto Cut…13175/day(23%) Selected…6510/day(12%) Fe0.1m Tracker Counter 1m 1.4m Veto Counter

38 On-axis neutrino detector Top view -4-2024 (m) 6500 5500 4500 How to measure the beam center Measure the beam profile by 5 modules in one axis (# of modules is not fixed) Fit the measured profile by gaussian -30-20-100102030 -20 -40 0 20 40 true center (cm) reconstructed center (cm) Accuracy on center 5cm = 0.2 mrad

39 Les détecteurs à 280 m But: comprendre les flux de neutrinos ( e,  ) et les diverses sections efficaces (QE, non QE) pour prédire ce que verra SK en absence/présence d’oscillations en terme de signal et de bruits de fond Problème: Le faisceau off-axis à 280 m est différent de ce que voit SK (source non ponctuelle à 280 m). Exigences: Bonne observation de toutes les topologies (i.e proton de recul), particle ID, bonne mesure des impulsions (Champ magnétique) et si possible sur Oxygène (Water Cerenkov exclu). Masse requise de plusieurs tonnes.

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46 P0D Layers Two main regions: –water rich, no water Fiducial non-water content of two regions is same Fiducial volumes: –In water region, 1.4t CH n, 0.3t Pb, 1.4t H 2 O –Non-water region, 1.4t CH n, 0.3t Pb green: polypropylene, red: lead foil, white: scintillator, mesh: water

47 Conclusion P0D will have just enough statistics to determine  0 rate in water with near/far correction –statistical error of ~6% in one year of running –systematic uncertainties need more study Advantages of P0D –high reconstruction efficiency (GEANT4 sim) –large fiducial volume (need these statistics!)

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49 Physics goal for TPC Aim of TPC : measure momentum of muon produced in CC with σ(pt)/pt < 10 % for p<1 GeV/c Measure other tracks (p, π) to separate event topologies Identify p, separate e-μ with dE/dx Target + Ecal Active target (scintillator bars) 3 TPC modules

50 TPC in numbers 2.5m B (0.2T) E (200V/cm) E ν beam HV membrane 2.5 m 30x30 cm 2 Read Out detecteurs 0.9m 3 TPC modules Drift field 200 V/cm (HV=25 kV) 84 read-out modules Pads 8 x 8 mm**2 86 000 channels 1344 ASIC 30 optical fibers (data out) 1.5 kW

51 Common micropattern issue For the two techniques, large scale active area has to be proven : - segmentation and dead zones - dead zones impact on Electric field uniformity on edges - gain uniformity on large surfaces - gain cross calibration (gain cross- calibration between different detectors)

52 A possible TPC readout plane Ref : J-Ph Mols Readout plane support 7x2x4 Front End Cards E Field cage strips

53 Square pad resolution better for smaller pads Square pads 8x8 mm**2 OK 6 mm 8 mm 10 mm 12 mm

54 The HARP magnet Solenoid Magnet, up to 0.7 T (<1% non uniformity) 154 cm 200 cm 90 cm80 cm B=0.7 T Field cage of 154 cm long HV<35KV (up to 230 V/cm) Gas system with gas analysis instruments, independent inlets for flammable and non flammable mixtures Control room barrack Beam line with particle type tagging capability By Anselmo Cervera

55 Groups involved Field cage : Victoria-TRIUMF Gas system : Victoria-TRIUMF Gas amplification : Geneva, INFN, Saclay, Victoria-TRIUMF Electronics : Geneva, IFAE, Saclay Software : all the above groups

56 Intérêt d’un ensemble de détecteurs à 2km Possibilité d’installer un Cerenkov à eau (masse fiducielle de 100 tonnes) voyant un faisceau quasi-identique à celui vu par SK, suivi d’un muon range detector (MRD) Un détecteur à grain fin peut mesurer les diverses topologies d’événements produites comme à SK. Un tel ensemble pourraitt en fait suffire comme détecteur proche avec MUMON et N-GRID Il peut servir à valider les prédictions de l’analyse des données obtenues à 280 m (certainement utile en cas d’indication d’apparition dans SK) Caveat: la position 2 km est dans l’axe de HK, pas de SK

57 Validation des prédictions 280m sans oscillations

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61 6.3m Φ4.5m 2m 4m 12.3m 13.8m Φ8.5m Water Cherenkov detector Φ9.3m (same as before) (2.2m shorter) Fid. Mass= 100tons (same as before) NOW About 5300 8 inch PMTs

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67 ETAT DU PROJET T2K Ecriture d’un CDR (conceptual design report) pour fin avril 2005 sur beam line et détecteurs à 280 m. La position 2 km apparaît comme appendice. TDR dans environ 1 an Débat sur la date de proposition/réalisation de la position 2km comme “amélioration” du projet T2K Bouclage financier pas encore assuré

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