yoshi uchida masterclass 2006 - imperial college londonyoshiu/masterclass07/yoshi.pdf ·...

Post on 30-Jun-2020

2 Views

Category:

Documents

0 Downloads

Preview:

Click to see full reader

TRANSCRIPT

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Title

Neutrinos(and Electrons, Muons, and Pions)

Yoshi Uchida

UK Particle Physics Masterclass March 2007

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

up charm top

down strange bottom

electron muon tau

up charm top

down strange bottom

electron muon tau

u c td s be

u c td s be

electron muon tauneutrino neutrino neutrinoelectron muon tauneutrino neutrino neutrinoelectron muon tauneutrino neutrino neutrino

 e

Matter Particles

Neutrinos:

Only feel the weak interaction⇒ the Earth is “transparent”

Massless by definition in the Standard Model

e creates electrons, creates muons, creates taus

through the Weak Interaction

The Standard Model

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

 

charm top

strange bottom

tau

tauneutrino

u c ts b

up

down

electron muon

electron muonneutrino neutrino

 e

Matter Particles

ude

Particles inThis Talk

Dave Wark will talk aboutneutrinos too....

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

 

charm top

strange bottom

tau

tauneutrino

u c ts b

up

down

electron muon

electron muonneutrino neutrino

 e

Matter Particles

ude

Particles inThis Talk

Pion

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Particle Interactions

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Electron Interactions in Matter

1m

electronwith 1 GeVof energy(about 2000 timesits mass)

Water

Electrons produces “showers” of  positrons, electrons and photons, as they travel through matter

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

ComputerSimulations

Computer Simulations play a major role in particle physics. 

The properties of particles and detectors are simulated using known properties of particle propagation in matter.

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

ComputerSimulations

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

More ParticleInteractions

1 Electron

10 Muons0.5 GeV 1.5 m H2O

0.5 Tesla Magnetic Field Can build detectors to take advantage of the different characteristics of particles

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

More ParticleInteractions

100000000000 Neutrinos

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The PionSimilar in mass to the muon, but feels the Strong Interaction

Image is of tracks captured in photographic emulsion, showingNuclear Disintegration

First seen by D. H. Perkins in 1946, when he was a PhD studentat the Imperial College High Energy Physics group

...

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Pion Decay and NeutrinosPion

Muon Electron

MuonAntineutrino

MuonNeutrino Electron

Antineutrino

 –  – 

 e– 

Pions decay in fractions of a microsecond, eventuallyproducing 3 neutrinos

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Super­Kamiokande andAtmospheric Neutrinos

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Atmospheric NeutrinosZenith Angle

180º − Zenith Angle

Isotropic flux ofcosmic rays

km`

10000

Cosmic rays hit upper atmosphere and create pions, which in turn decay into of a few GeV

Look at neutrinos from different zenith (up/down)angles.Distance travelled since neutrino creation depends on this angle

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Neutrino Detection in WaterCharged particles (travelling faster than the speed of light in the medium) can emit light at specific angles to their direction of travel

chargedparticle

“Cerenkov”   light

Detectors can identifythe “ring” formed bylight, to measure thedirection and speed ofthe particle

speed of light in water = 75%of speed in vacuum

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Electron and Muon Neutrinos

electron neutrino

muon neutrino

creates a single electron, which then creates a shower of electrons

creates a single muon

“fuzzy”cerenkovring

clearcerenkovring

(with energies of about 1 GeV)

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Problem

For a 1 metre thickness of water, only about

1 in every 1,000,000,000,000 neutrinos

actually interacts this way

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Solution

Use a big detector

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Super­Kamiokande

40m by 40m tank1 km underground50,000 tonnes of waterLined with 11,000 photonsensors

   8 atmospheric neutrinos / day!Kamioka Observatory,ICRR (Institute for Cosmic Ray Research),The University of Tokyo

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Super­Kamiokande (Winter 2005/06)

Rebuilding ofdetector after major accident in 2002 destroyed half of the photon sensors

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Super­Kamiokande (Winter 2005/06)

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

“fuzzy” electron­like ring

Super­K Neutrino Events

“clear” muon­like ring

Patterns of light detected in the 20­inch photon sensors

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Atmospheric NeutrinosZenith Angle

180º − Zenith Angle

Isotropic flux ofcosmic rays

km`

10000

Cosmic rays hit upper atmosphere and create pions, which in turn decay into of a few GeV

Look at neutrinos from different zenith (up/down)angles.Distance travelled since neutrino creation depends on this angle

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Atmospheric Neutrinos at Super­K

HorizontalUp Down

muon­likeelectron­like

­1                     0                      1 ­1                     0                      1cos(zenith angle)

150

100

0

50

Even

ts

DataExpected

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Atmospheric Neutrinos at Super­K

HorizontalUp Down

muon­likeelectron­like

­1                     0                      1 ­1                     0                      1cos(zenith angle)

150

100

0

50 DataExpected

Even

ts

Muon neutrinos “disappear” as they travel long distances

⇒ turning into tau neutrinos(invisible to Super­K)

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Neutrino Oscillations

If neutrinos have different masses, Quantum Mechanicssays they can “turn into” each other as they travel

Oscillation probability 

∝Interference of quantum matter waveswhich depends on mass differences

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Neutrino Oscillations

0                      500                    1000                          Distance[km]/E[GeV] 

muonneutrino

tauneutrino

STARTwith a puremuonneutrinobeam

The probability that the neutrino has become a tau neutrino swings back and forth with distance

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

KamLAND and Neutrino Oscillations

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The Kamioka Liquid Scintillator Anti­Neutrino Detector

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

KamLAND

0            250         500          750      [km]

KamLAND ReactorBaseline Distribution

Reactor interactionsproduce antineutrinos:

1000 tonne detectorsees about 1 reactorantineutrino each day

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

KamLAND

(1879 PMTs)

(Water)

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

KamLAND

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

KamLAND Result October 2004

258 candidates (365.2 if inverse­square propagation)

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

“Distance / Energy” for KamLAND 2004

assuming 180km baseline          (assuming 

180km baseline)Distance /  Energy [km / MeV]

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Other Hypotheses for Neutrino Disappearance

assuming 180km baseline

(alternative theories for neutrino disappearance)

         (assuming 180km baseline)Distance /  Energy [km / MeV]

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Evidence for Neutrino Oscillations

assuming 180km baseline          (assuming 

180km baseline)

To be improved in next results!

Distance /  Energy [km / MeV]

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Present Status of Neutrino OscillationsWe have seen two types of verified neutrino oscillations

●  “Super­K” atmospheric & accelerator

●  Solar (Dave’s talk) & “KamLAND” reactor (ask me)

Oscillations ⇒ neutrinos must have mass

The only indication of Physics Beyond the Standard Model

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Present Status of Neutrino OscillationsOne mysterious oscillation result from the 1990s, currently being re­examined by the MiniBooNE experiment

⇒ the next big neutrino physics result, very soon?

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The Ice Cube Experiment

The South Pole

half a mile

1.5 

mile

s

Instrumented todetect neutrinos

Uses the icesheet at theSouth Poleto act as a NeutrinoTelescope for neutrinosfrom the NorthernHemisphere 

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

How to Help Build a New Neutrino Experiment

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The Concept

Oscillations seen in Atmospheric Neutrinos, can we make a better measurement?

   Define Energy and Distance better

If our understanding is correct, a 3rd type of oscillation may exist, can we see this?

 Use the most intense source of neutrinos possible

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The K2K Experiment (1999—2004)Muon neutrinos sent 250 km across Japan from KEK

Saw 112 neutrinos, confirmed “atmospheric” oscillations

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

J­PARCMajor new particle / nuclear physics facility being built in Japan

Construction started in 2001

Can be used to create avery powerful neutrino beam

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The Tokai­to­Kamioka (T2K) Experiment

 Kamioka  

JAPAN Tokai

T2K

Super­Kamiokande

J­PARC

J­PARC

The most intense neutrino beamever

295 km baseline    beam disappearance measuremente appearance discovery

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

A Neutrino Experiment at J­PARC (formerly JHF)21 January 2003

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The T2K CollaborationMore than 300 members from 

CanadaFrance

GermanyItalyJapanKoreaPolandRussiaSpain

SwitzerlandUnited Kingdom

United States

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Another Improvement

The most intense, optimised neutrino beam ever&

A 50,000 tonne neutrino detector 

  the need to understand the beam, and neutrino interactions, better than ever before

  the performance of the experiment will depend on a much more sophisticated "Near Detector" than before

  use a Magnetic Field, complex system of detectors

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The J­PARC Neutrino Beam

NCarbon Target

J­PARC 50 GeV Proton Ring and Neutrino Beam Complex

Same principle as atmospheric neutrino production(except you stop the muons before they decay)

IntenseProton Beam

Showerof Pions

Neutrino Beam

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The 280m Near Detector (ND280)

N

ND Hall

J­PARC 50 GeV Proton Ring and Neutrino Beam Complex

280m

Distance is fixed from constraints due to surrounding structures(and untouchable forests)

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The “UA1” Magnet

Use of magnet enhances particle identification / measurement dramatically

An old magnet from CERN (which helped discover the W & Z particles), was available 

for the Near Detector

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Conceptual Design Process 2004, 05

Design the “best” affordable Near Detector system which fits into the UA1 magnet

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Conceptual Design Process 2004, 05

Use of computer simulations (and back­of­the­envelope estimations) to investigate many different detector concepts

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Conceptual Design Process 2004, 05

Vancouver Jul ’05

Rome Dec ’04

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Conceptual Design Process 2004, 05

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

T2K ND280 Conceptual Design ReportPublished August 2005: “This Conceptual Design Report details the physics  requirements,  motivations,  and  design  considerations  [of the ND280 detectors].”

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The T2KUK Proposal (January 2006)

UK Contributions on:● Neutrino Beam and Target Development● ND280 Electromagnetic Calorimeter Design and Construction● ND280 Electronics and Data Acquisition● ND280 Photosensor Development● T2K Software and Physics Analysis

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The Imperial College T2K Group

From left: Johnathan Anderson, Morgan Wascko, Mark Raymond, Marie Endamne, Matt Noy, Dave Wark, Joe Walding, Daniel Orme, Francois Van Schalkwyk, Antonin Vacheret, Peter Dornan, Masaki Shibasaki, Ian Taylor, Yoshi Uchida

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Imperial College T2K Group● Designing the detector     

readout electronics for ND280

● Coordinates the photosensor study group in the UK

● Organises the Global T2K Offline Software group and UK Physics group

and

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Present Status

Approved by UK GovernmentNeutrino Beam to turn on April 2009ND280 to start running Autumn 2009

Oscillation measurements / discoveries a few years later....

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

The Future

DailyTelegraph

Undergoing vigorous R&Din UK and internationally

Yoshi.Uchida@imperial.ac.uk UK Particle Physics Masterclass 29 March 2006

Monitor our progress at

imperialhep.blogspot.com

top related