Neutrino Beams
present, past and future
29/04/2004
M.G.Catanesi
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Outlook
 “Traditional” Neutrino Beams
( , κ

 μ e)
 Narrow beams (NNB)
 Wide Band (WNB)
WANF
CNGS
NUMI
K2K
Miniboone
 Super Beams
 Off-Axis
 Neutrino –Factories (μ -> μ e)
 Beta Beams
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A little bit of history : CERN 1960
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Layout of a “standard” neutrino beams
Fasci primari
• Metodi di estrazione del fascio di protoni
•Fast : protoni che hanno percorso una sola volta l’SPS
con una durata dell’impulso (spill) di qualche μs tipico
della camere a bolle
•Fast/Slow : alcune centinaia di rivoluzione nell’SPS spill di
qualche ms (chorus/nomad)
•Slow : 105 giri spill 2s
NNB or WNB ?
 Se non viene effettuata nessuna selezione in
impulso dei secondari si parla di WNB
 I fasci NNB comportano una drastica diminuzione
dell’intensita’ dei neutrini prodotti. Sono da
preferire solo se una selezione sull’energia dei
neutrini e’ importante
10°
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Il bersaglio di k2k
Bersagli
 In tutti I fasci neutrini il primo step e’ costituito dalla
produzione di secondari (, κ  ) mediante interazione
del fascio primario di protoni su un bersaglio
 Il bersaglio e’ costituito da un insieme di barre cilindriche
di qualche centimetro (fino a 10cm) di spessore separate
da strati di aria in modo da minimizzare il riassorbimento
dei secondari da parte del bersaglio stesso. La geometria
e’ ottimizzata per ridurre quanto possibile gli stress
meccanici e termici dovuti all’intensita’ del fascio
primario
 Il materiale classicamente utilizzato e’ il berillio (wanf al
cern, miniboone al fermilab). I fasci neutrini piu’ recenti
utilizzano l’alluminio (K2K) o il Carbonio (CNGS)
 Dimensioni tipiche (Wanf 110cm , Miniboone 65 cm, k2k
60cm)
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HORNs: Focalizzazione delle
particelle secondarie
 L’horn non e’ nient’altro
che tipici
una lente
magnetica:
Valori
al CERN-Wanf
 Nell’horn le particelle sono
deflesse
campo
100KA,
65GeVda
, 8un
gradi
magnetico radiale realizzato da 2 conduttori coassiali
lungo i quali fluiscono correnti di uguale intensita’
ma di direzioni opposte
 Il profilo interno dell’horn puo’ essere dedotto
imponendo la condizione
di emissione parallela
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Horns:continua…
 L’Horn e’ un magnete impulsato con il massimo in
coincidenza col passaggio dei protoni
 La corrente e la distanza dal bersaglio possono essere
variate per ottimizzare le caratteristiche del fascio
neutrino desiderato
 Naturalmente invertire la polarita’ nell’horn corrisponde a
selezionare particelle negative (antineutrini)
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CERN-WANF 1993 :esempio di
ottimizzazione
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muon flux
•Il flusso dei muoni e’
valutato usando diodi al
silicio
•Il segnale raccolto su ogni
diodo e’ proporzionale al
flusso di muoni
• Fμ = Sd x (Vs – V0)/G
•Speciali diodi di riferimento
permettono
l’intercalibrazione dei
detectors
•Speciali runs con emulsioni
nucleari permettono
lavalutazione assoluta del
flusso
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Muon flux: continua…
• Flusso su singoli diodi
•Profilo laterale del flusso di muoni
• Profilo bidimensionale
• Dipendenza del flusso di muoni dalla
posizione lungo la linea di fascio
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Monitoring & allineamento *
 Il monitoring di un
fascio neutrino e’ un
elemento
fondamentale per il
suo funzionamento
 Viene normalmente
fatto verificando il
centramento e
l’intensita’ del fascio di
protoni incidenti (BcTs
et.c.) e verificando il
profilo e l’intensita’ dei
muoni
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*29/04/2004
The Alignment of the CERN West Area Neutrino Facility – Yellow Report – 96/06
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Previsione del flusso di neutrini
 Per conoscere il flusso
di neutrini e la sua
composizione e’
necessario conoscere
la quantita’ e lo
spettro dei secondari
prodotti nel bersaglio
 Per valutare questo
elemento che
difficilmente puo’
essere misurato in situ
si utilizzano
normalmente varii
generatori MC
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Prodotti secondari:
 Spesso la mancanza di dati sperimentali e le differenze
nei modelli adronici utilizzati rende la previsione del
flusso di neutrini all’esperimento estremamente difficile
 Per evitare quella che in molti casi rappresenta una delle
sorgenti principali di errore sistematico gli esperimenti
neutrino si sono avvalsi di esperimenti ancillari di
adroproduzione per coprire la mancanza di conoscenza
sulla produzione di secondari
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Esperimenti di adroproduzione
Experiment
Proton E
Some H.P.
exp
ref
Ps169, Ps180,
Ps181
~ 20GeV
Allaby et al.
Eichten et al.
CERN 70-12
N.P. B44 (1972)
CDHS, CHARM,
BEBC
~400GeV
NA20 (Atherton)
CERN 80-07
CHORUS, NOMAD,
CNGS
~400GeV
NA56/SPY
SPSC 96-01
K2K, MiniBooNE
12.9 GeV, 8GeV
HARP
CERN- ps214
NuFact/SuperBea
m designs
~2GeV
HARP
==
Atm. Neutrinos
>10GeV
HARP/NA49
CERN- ps214
SPSC 2001-017
MINOS
120GeV
HARP/NA49
FNAL E907
SPSC 2001-017
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Alcune considerazioni generali……...
 Il fascio neutrino per la sua complessita’ e
interdipendenza e’ sempre stato considerato parte
integrante degli esperimenti.
 Se il fascio e’ parte dell’esperimento anche la sua
calibrazione e caratterizzazione naturalmente lo e’
 Anche per questo motivo negli ultimi tempi si e’
assistito a un interesse diretto degli esperimenti
neutrino nelle misure di adroproduzione e non solo
 Infatti la comunita’ e’ sempre particolarmente attiva
nello sviluppo di idee per i nuovi fasci neutrino del
futuro in sinergia con i gruppi di fisica degli
acceleratori
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MINOS (Fermilab to Minnesota)
L = 730 km
(12 km)
•Beam Axis 3.32o
into the ground at
FNAL, exits at
Canadian border.
•2o off-axis in
southern Canada or
northern Wisconsin
(L = 530 – 950 km)
•NuMI has 400kW
primary proton beam
120 GeV
8.67 msec spill
1.9 sec rep rate
Numi Target Hall
Alternate Horn Positions
(eg: for off-axis exp’t)
Beamline Component Positioning Modules
Two Types of Magnetic Focusing Horns
Pion Production Target (plus readout of target, vacuum pump)
Baffle to protect horn from beam accidents
Target Hall Radiation Shielding
Radioactivated component work cell
Minos Horn 1 Prototype
pulses at 200 kA
4,000,000
3,000,000
2,000,000
Water line fixture fracture
5,000,000
Production Power Supply,
2.7 ms pulse, 205 kA peak
Test Power Supply,
0.85 ms pulse
1,000,000
0
Mar- Apr- May- Jun97
97
97
97
Jul97
Aug- Aug- Sep- Oct- Nov- Dec- Jan- Feb- Mar97
97
97
97
97
97
98
98
98
Date
(Runs nights and weekends only)
Fasci tradizionali di bassa energia:Il
fascio neutrino di k2k
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Flusso atteso di neutrini per k2k
K2K far/near ratio
To be measured
by HARP
oscillation
peak
0
0.5
Beam MC
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1.0
1.5
2.0
2.5
Beam MC
confirmed by M.G.Catanesi
Pion Monitor
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Il complesso del Fermilab
Fasci tradizionali di bassa
energia:Miniboone at FNAL
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Super Beams
Fasci Tradizionali ma ad alta intensita’
 JHF (1MW ) (Minos-Off-Axis)
 Non richiedono upgrade tecnologici
sostanziali per bersagli e horns
 SPL (4MW)
 Primo step della neutrino factory richiede
upgrade tencnologici importanti
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JHF Overview
nm beam of ~1GeV
Super-K: 50 kton
Water Cherenkov
Kamioka
~Mt “Hyper
Kamiokande”
JAERI
(Tokai-mura)
0.75 MW 50 GeV PS
4MW 50GeV PS
1st Phase
nm→ nx disappearance
nm→ ne appearance
NC measurement
2nd Phase
CPV
proton decay
JHF Complex
Off Axis Beam
(another NBB option)
Far Det.
(ref.: BNL-E889 Proposal)
Target
Horns
Decay Pipe
q
WBB w/ intentionally misaligned beam line from det. axis
Decay Kinematics
Quasi Monochromatic Beam
x2~3 intense than NBB
Expected spectrum at JHF
osc.max.
Osc. Prob.=sin2(1.27Dm2L/En)
Dm2=3x10-3eV2
L=295km
nm
OA1°
OA2°
OA3°
~4500 tot int/22.5kt/yr
~3000 CC int/22.5kt/yr
NBB vs Off-Axis
Extremely
High rad.
Environment!
1°
3°
Bending
2Tx4.5m
(1.8Tx5m)
Side View
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Detectors
Neutrino spectra at diff. dist
1.5km

Muon monitors @ ~140m
 Behind the beam dump
 Fast (spill-by-spill) monitoring of beam
direction/intensity

First Front detector “Neutrino monitor”
@280m
 Neutrino intensity/direction
 Study of neutrino interactions

Second Front Detector @ ~2km
 Almost same En spectrum as for SK
 Absolute neutrino spectrum
 Precise estimation of background

Far detector @ 295km
 Super-Kamiokande (50kt)
 Hyper-Kamiokande (~1Mt)
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295km
0.28km
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Off-Axis case for Existing
NuMI
NuMI LE Beam
NuMI ME Beam
 Plots assume current neutrino target, horns.
 Variable energy beam can help move peaks
dynamically
 Antineutrino running takes factor 3 hit in rate
figures courtesy M.Messier
Neutrino Factory CERN layout
Harp Data
1016p/
s
1.2 1014 m/s =1.2 1021 m/yr
0.9 1021 m/yr
3 1020 ne/yr
3 1020 nm/yr
m+  e+ ne
oscillates ne 
_
nm
nm
interacts giving mWRONG SIGN MUON
interacts
giving m+
SPL
300 MeV Neutrinos
small contamination from e
(no K at 2 GeV)
HIPPI
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The Alternative
CERN RCS
Scenario for
the 4 MW NF
Proton Driver
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CERN reference scenario
 In order to produce 1021 neutrinos/year proton
beams with a power of 1-4 MW needs to interact with
a high Z target.








Proton energy
2.2 GeV.
Repetition rate
50 Hz
Pulse duration
3.3 ms.
Pulse intensity
1.5 1014/pulse
Average beam power
4 MW
Target absorbed power 1 MW
Liquid Hg-jet target Diam.
10 mm
Pion collection by means of a magnetic horn.
The Target: The liquid Hg option
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Water-cooled granular target
Ta-Spheres, r = 16.8 g/cm
R = 1mm
Packing density ~60% (~140 spheres/cm3)
R = 10g/cm3
Small spheres good for cooling: surface/volume~1.R
Water cooling:
v = 6m/s through 20% of cross-section
V = 11l/s
DT =18K (20% of 4MW, S. Gilardoni)
DT =36K
DP =4-5 Bar
Re ~ 104
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La proposta americana:
solenoide da 20T
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Neutrino Factory
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10% cooling of 200 MeV muons requires ~ 20 MV of RF
single particle measurements =>
measurement precision can be as good as D ( e out/e in ) = 10-3
SC Solenoids;
Spectrometer, focus pair, compensation coil
Liquid H2 absorbers
TPG
TPG
201 MHz RF cavities
Tracking devices:
Measurement of momentum angles and position
T.O.F. I & II
Pion /muon ID and precise timing
Tracking devices
T.O.F. III
Precise timing
Electron ID
Eliminate muons that decay
Scenario alternativo proposto dai
giapponesi
BETA Beam
new idea by P. Zucchelli
produce 6He++, store, accelerate (100 GeV/u), store
6He++  6Li+++
ne
e-
Q=3.5078 MeV T/2 = 0.8067 s
pure anti-ne beam at  600 MeV
or:
18
10
Ne 
18
9
F ne e
+
pure ne beam at  600 MeV
oscillation signal: appearance of low energy muons
no opposite charge neutrinos=> no need for magnetic detectors
seems feasible; but cost unknown so far.
Critical: duty cycle.
A nice *** idea to be followed up!
CERN: b-beam baseline
scenario
n ,n
Nuclear
Physics
SPL
Decay ring
Brho = 1500 Tm
B=5T
Decay
ISOL target
& Ion source
Ring
SPS
6
2
ECR
He 36Li e -n
Average Ecms  1.937 MeV
Cyclotrons,
linac or FFAG
Rapid
cycling
synchrotron
Lss = 2500 m
18
10
Ne189Fe e +n
Average Ecms  1.86 MeV
PS
n ,n