fizyka cz ˛astek: detektory - zakład cząstek i ...hep.fuw.edu.pl/u/zarnecki/me12/wyklad07.pdf ·...
TRANSCRIPT
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
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
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
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
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
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