Opportunità per la violazione di CP leptonica e per la gerarchia di massa ai laboratori del Gran Sasso nell'era di ϑ 13 ~ Ο(10-1)

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1 Opportunità per la violazione di CP leptonica e per la gerarchia di massa ai laboratori del Gran Sasso nell'era di ϑ 13 ~ Ο(10-1) 1 S. Dusini PD A. Longhin LNF M. Mezzetto PD L. Patrizii BO M. Sioli BO G. Sirri BO F. Terranova MIB Il valore elevato di ϑ13 offre una grande opportunità per la fisica di precisione del neutrino: cosa cambia a baseline intermedie? È possibile misurare CPV e la MH più facilmente? Riferimenti: νturn workshop Maggio 2012 NUFACT workshop Luglio 2012 Prossima sottomissione su ArXiv ed EPJC

2 2 Schema della presentazione Obiettivi e ipotesi di lavoro CP leptonica e gerarchia di massa su 730 km Fascio di ν: simulazione e ottimizzazione Parametrizzazione delle performance della LAr TPC Risultati e confronto con altre baselines (CERN-to-Phyäsalmi)

3 Large ϑ 13 era 3 T. Nakaya [T2K Neutrino 2012 D. Dwyer [Daya Bay Neutrino 2012 Dopo 10 anni di ricerca sperimentale conosciamo il valore dell'angolo ϑ13 : é inaspettatamente grande e noto con eccellente precisione ϑ13 = (9.0 ± 0.4) da Fogli et al., arxiv: v3

4 Alcune domande di base Un ϑ13 grande semplifica sostanzialmente la scoperta della CPV? Un ϑ13 grande semplifica sostanzialmente la scoperta della gerarchia di massa? Nel framework dei super-beam, abbiamo ancora bisogno di acceleratori di protoni al multi-mw o sono sufficienti le macchine esistenti? Meglio investire sull'aumento della potenza o della massa del rivelatore o sulla sua qualità? Possiamo costruire un super-beam tutto-in-uno per CPV e MH? 4 Affrontato in questo lavoro (per super-beam su baseline mediogrande, con particolare enfasi su CERN-to-LNGS e altre configurazioni in Europa basate sul CERN) Affrontato in questo studio Affrontato in questo studio Affrontato in questo studio

5 5 Obiettivi e ipotesi di lavoro Quali sono i requisiti per degli esperimenti basati sulla baseline CERN-to-Gran Sasso per avere una data probabilità di scoprire la CP violation leptonica (CPV) p.e. a 3σ per > 40% dei casi (valori di δ)? Qual è l'impatto dell'ignoranza/conoscenza della gerarchia di massa (MH)? ICARUS Assumiamo la tecnologia della LAr Time Projection Chamber Abbiamo investigato (entro limiti ragionevoli/realistici): Massa del rivelatore / intensità del fascio Energia dei protoni / angolo off-axis

6 Transizioni ν µ ν e a L intermedie 6 Â : effetti di materia : O(1) Cervera et al., hep-ph/ Freund et al., hep-ph/ [misure!] [ispirata principalmente dallo schema di mescolamento tri-bi-massimale] α 0.03 sin22ϑ13 O1 ~ O2 confrontabili Espansione perturbativa: appropriata α = 10-1 sin 2ϑ13 O1 dominante rozza (si veda p.e. JHEP 06(2011) 022) Dominanza di O1 : un fattore di disturbo per CPV; un'opportunità per la MH

7 Transizioni ν µ ν e a 730 km 7 2st max Gerarchia normale Gerarchia inversa Effetti regolati dalla gerarchia di massa (~ effetti di materia) e dalla fase di CP: entità paragonabile 1st max Al prim'ordine: cambiamento nella normalizzazione dei νe ν Il controllo della normalizzazione assoluta è molto importante! 2o massimo di oscillazione: ~ 0.5 GeV 1o massimo di oscillazione: ~ 1.5 GeV

8 Transizioni ν µ ν e a 730 km 8 Gerarchia Normal hierarchy normale Inverted hierarchy Gerarchia inversa ν La scoperta della violazione di CP equivale ad escludere i casi δ = 0 e δ = π CP conserving, matrice di mixing reale).

9 Transizioni ν µ ν e a 730 km 9 Gerarchia normale Gerarchia inversa ν ν Gerarchia normale : apparizione (anti-ν) < apparizione (ν) Gerarchia inversa : apparizione (anti-ν) > apparizione (ν)

10 10 Scoperta di CPV e determinazione della MH CPV: per ogni valore di δ scoperta a 3 σ se entrambi i casi CP conserving (δ = 0 π) possono essere esclusi (per entrambe le ipotesi sulla MH, a meno che essa non sia esplicitamente assunta come nota) MH : si fa un'assunzione per la MH. Determinazione a 3 σ se lo schema di MH alternativo si può escludere per qualsiasi valore di δ ''coverage'': frazione dei valori di δ per cui CPV / MH è possibile min(χ2 (δ,0), χ2 (δ,π)) Example for CPV ''cusps'' appear if knowledge of MH is not assumed 9 (3σ, 1 dof) δ (rad)

11 11 Rivelatore lontano al Gran Sasso Abbiamo considerato tre potenziali siti per la LAr TPC on-axis all'interno dei laboratori sotterranei esistenti (massa ''solo'' fino a 10 kt ) off-axis in nuovi siti poco profondi (massa fino a 100 kt ) 7 e 10 km off-beam (logistica già studiata) MODULAr hep-ph/ Abbiamo considerato le due opzioni separatamente per il momento (singolo rivelatore)

12 Limiti sulla massa di LAr ai laboratori sotterranei LNGS 12 Sala B (110 m) ICARUS T m kt (0.476 fiduciale) ICARUS T m kt (0.952 fiduciale) CERN/SPSC x T1200 modules ~ 4 kt fiduciali disegno ad-hoc: si potrebbe arrivare a ~ 7.5 kt ~ 10 kt allocando spazio extra in un'altra sala

13 13 Acceleratori di protoni al CERN off-axis : l'esistente SPS a 400 GeV on-axis : una futura macchina a 50 GeV Perché? Utilizzando un p-driver di 400 GeV è difficile popolare efficientemente la regione di interesse ( bassa energia, si veda anche p.e. hep-ph/ v1) Risultati presentati in funzione di (MW Mt 107s): è possibile ''leggere'' la combinazione di massa e fascio necessaria per ottenere una certa coverage. Stabiliamo dei benchmark per agevolare la lettura: SPS a 400 GeV (come per lo studio di MODULAr) pot/anno = 2.7 CNGS nominale ~ 770 kw + massa variabile 50 GeV (come nel contesto del DS LAGUNA): MW + 10 kt di massa (massimo possibile nel lab esistente) Assumiamo una ripartizione di: 5 anni ν + 5 anni di anti-ν

14 14 Focusing: off-axis 400 GeV Ottimizzazione: pre-scan con parametrizzazione BMPT (E.P.J.C20:13-27,2001) I flussi finali ottenuti con una simulazione basata su GEANT4 ( E.P.J.C71:1745, 2011) Variazione sistematica di: correnti distanza horn-reflector posizione longitudinale della targhetta mantenendo fisse le forme dell'horn (=NOvA) e del reflector (=CNGS). Figura di merito: rate di νµcc nella regione del picco per i 7 km off-axis Configurazione ottimizzata per il fascio off-axis (in scala) 300 ka 200 ka 1m 400GeV NOvA horn CNGS reflector Tunnel L = 1000 m r =1.225 m (CNGS) Targhetta di grafite: lunghezza = 1 m

15 Off-axis 400 GeV: rate di ν µ CC 15 Confronto con simulazioni/studi precedenti CNGS τ Questa simulazione/ottimizzazione La configurazione ottimale fornisce delle rate di interazione simili a quelle delle configurazioni ottimizzate per lo studio per MODULAr MODULAr 7km 7 km 10 km hep-ph/ v1 hep-ph/

16 Focusing: on-axis 50 GeV 16 Ottimizzazione: basata sulle performance di scoperta per θ13 (LAGUNA FP7 DS, 2010). Simulazione basata su GEANT4 e GLOBeS Variazione delle posizioni relative di horn-reflector-targetta PoS ICHEP2010, 325 (2010) arxiv: v1 Configurazione ottimizzata per il fascio on-axis (in scala) 1m 200 ka 200 ka 50 GeV 58 m NOvA horn NOvA reflector Tunnel L = 90 m r =2.2 m Targhetta di grafite, lunghezza=1 m

17 Spettri di ν µ CC (normalizzati alla potenza) 17 hep-ph/ v1 La ''regione di interesse'' si situa approssimativamente sotto i 2.5 GeV Il secondo massimo è fortemente suppresso dal flusso e dalla sezione d'urto. A parità di potenza il fascio on-axis con protoni da 50 GeV è superiore ad un fascio on-axis con protoni da 400 GeV (ottimizzazione ''CNGS-LE'' di hepph/ v1 preso come riferimento A. Rubbia, A. Meregaglia).

18 ν CC e spettri di apparizione 18 5 anni di run con i ν On-axis 50 GeV 10 kt pot/y (2.4 MW) νµ νe : 565 ev Off-axis 10km 400 GeV 20 kt pot/y (0.77 MW) νµ νe : 273 ev Off-axis 7km 400 GeV 20 kt pot/y (0.77 MW) νµ νe : 456 ev Si osserva una perdita di informazione spettrale e potere di discriminazione per la MH man mano che ci si discosta dal massimo di oscillazione

19 Simulazione del rivelatore 19 Nuova descrizione del rivelatore implementata nel framework di GLoBES Fondo da contaminazione da NC (conservativo): 0.1% of νµcc Errore sulla normalizzazione assoluta (S e B): 5% Risoluzione in energia ed efficienza per i νe e gli anti-νe implementata attraverso matrici di migrazione ricavate dal generatore GENIE Quasi elastico (QE) efficienza 80% smearing del momento dell'elettrone formula a 2 corpi per Eν,rec D.I.S.+ risonante efficienza 90 % σ(ehad)/ehad = 20%/ Ehad si ottiene: σ(eν)/eν~ 0.05/ Eν Matrice di migrazione (separatamente per νe e anti-νe)

20 CPV coverage (on-axis 50 GeV) 20 Errore sistematico sulla normalizzazione del flusso 5% 5 ν + 5 anti-ν anni Normale (nota) Inversa (ignota) Normale (nota) Inversa (ignota) Benchmarks (linee verticali): 10 kt 0.77 MW 10 y 0 % 10 kt 1.0 MW 10 y 0 % 10 kt 2.4 MW 10 y % Max LNGS Max SPS Dominio dell'ambiguità di segno

21 CPV coverage (off-axis 7 km 400 GeV) 21 Errore sistematico sulla normalizzazione del flusso 5% 5 ν + 5 anti-ν anni Normale (nota) Inversa (ignota) Normale (nota) Inversa (ignota) Benchmarks (linee verticali) 20 kt 0.77 MW 10 y 5-10 % 30 kt 0.77 MW 10 y % 100 kt 0.77 MW 10 y % Max SPS

22 CPV coverage (off-axis 10 km 400 GeV) 22 Errore sistematico sulla normalizzazione del flusso 5% 5 ν + 5 anti-ν anni Normale (nota) Inversa (ignota) Normale (nota) Inversa (ignota) Benchmarks (linee verticali) 20 kt 0.77 MW 10 y 0 % 30 kt 0.77 MW 10 y % 100 kt 0.77 MW 10 y % Max SPS

23 Confronto della CPV coverage per le 3 opzioni considerate 23 Gerarchia normale (assunta ignota) La configurazione on-axis in generale funziona meglio grazie ad una migliore copertura della regione del primo massimo (maggiore informazione spettrale) 5% errore sistematico sulla normalizzazione del flusso Anni: 5 ν + 5 anti ν Per la stessa ragione 10 km off-axis ha una resa migliore rispetto a 7 km tranne che per esposizioni basse dove si fa sentire l'effetto delle riduzione in statistica a 10 km. 50 GeV 400 GeV 400 GeV

24 24 Coverage per la gerarchia di massa Errore sistematico sulla normalizzazione del flusso 5% 5 ν + 5 anti-ν anni La coverage per la MH è migliore per la configurazione ON-AXIS per cui lo spettro copre maggiormente la regione di interesse. On-axis 50 GeV Normal Inverted 10 kt 0.77 MW 10 y % 10 kt 1.0 MW 10 y % 10 kt 2.4 MW 10 y 50 % In generale, i fasci wide-band offrono maggiore sensitività alla MH e quindi le configurazioni ONAXIS sono favorite su quelle OFFAXIS (''narrow-band'') Al contrario di quanto avveniva per la sensitivita' a ϑ 13! Per una discussione si veda p.e. Coloma, Fernandez, Labarga, arxiv: Off-axis 10 km 400 GeV 20 kt 0.77 MW 10 y 30 % 30 kt 0.77 MW 10 y 35 % 100 kt 0.77 MW 10 y 50 % 24

25 25 Confronto con altre baselines utilizzando le stesse assunzioni sulle performances del rivelatore LAr, sugli errori sistematici e lo stesso programma di analisi Il caso specifico di CERN-Phyhäsalmi (L=2290 km) Uno studio più generico (500<L<3000 km)

26 La baseline bimagica 26 (p.e. CERN - Phyäsalmi, 2290 km) 2290 km on-axis 50 GeV p-driver 730 km on-axis 50 GeV p-driver NI Inoltre: la bimagic baseline è molto appropriata per la MH: coverage quasi indipendente da CP e grande anche per esposizioni modeste. 2nd max MH CP Basse esposizioni: 730 km e 2290 km danno performance non molto diverse se la MH è nota indipendentemente Sopra ~ 0.3 MW yeff la MH diviene accessibile sia a L medie che grandi Ad alte esposizioni il long-baseline fa meglio (il 2o massimo si ''popola'')

27 Piccolo excursus: una baseline ''ottimale''? Abbiamo valutato come l'esposizione necessaria per ottenere una certa coverage (40% e 70%) varii in funzione della baseline per tre scelte del flusso Flussi νµ a 100 km 2300 I flussi (ottenuti con 50 GeV di protoni) sono stati ottimizzati in passato in base alla sensitività a θ13 per tre distanze: 730 km, 1570 km e 2300 km (si veda arxiv: v1)

28 Piccolo excursus: una baseline ''ottimale''? 28 Abbiamo valutato come l'esposizione necessaria per ottenere una certa coverage (40% e 70%) varii in funzione della baseline per tre scelte del flusso. I flussi (ottenuti con 50 GeV di protoni) sono stati ottimizzati in passato in base alla sensitività a θ13 per tre distanze: 730 km, 1570 km e 2300 km (si veda arxiv: v1) Risultati: Indicazioni a favore di baselines ~ [ ] km (con una certa dipendenza dalla coverage desiderata) come da altri studi in letteratura. Minimo molto largo. ambiguità da ignoranza della MH Desiderabile una nuova ottimizzazione dei flussi che sia CPV-driven (non θ13 driven )

29 Sistematica sulla normalizzazione assoluta del flusso ON-AXIS 29 OFF-AXIS 7km Gerarchia normale, nota Effetto molto rilevante: effetti di δcp al prim'ordine modulazione nella normalizzazione (L=730 km) 5 % : ampiamente utilizzato in letteratura ma il super-beam T2K, ad oggi, ancora > 10% Migliorare la sistematica paga più della forza-bruta (massa/fascio) ad alte esposizioni Aspetto cruciale per il design di esperimenti futuri: necessità di rivelatori ausiliari: near, on-axis far + off-axis far misure di adroproduzione rivelatori ad alta granularità (p.e. LAr TPC) nuove idee?

30 Risposte Un ϑ13 grande semplifica sostanzialmente la scoperta della CPV? Rende la CPV accessibile ai superbeams ma la CPV rimane una sfida a causa della dominanza di O1 Un ϑ13 grande semplifica sostanzialmente la scoperta della gerarchia di massa? Enormemente! grazie, di nuovo, a O1. Baselines medie raggiungono una coverage completa per esposizioni superiori a 1 MW y Mt. Le baseline più lunghe molto prima Nel framework dei super-beam, abbiamo ancora bisogno di acceleratori di protoni al multi-mw o sono sufficienti le macchine esistenti? Si, ne abbiamo bisogno in ogni configurazione realistica Meglio investire nell'aumento della potenza o della massa del rivelatore o della sua qualità? Per esposizioni maggiori di 2 MW yeff Mt si è limitati dalla sistematica Possiamo costruire un super-beam tutto-in-uno per CPV e MH? Si, le due richieste non sono necessariamente antitetiche (ma occorre conoscere le sistematiche legate agli effetti di materia) 30

31 Conclusioni specifiche 31 On-axis + 50 GeV p-driver migliori performance rispetto alle configurazioni off-axis in termini di coverage vs esposizione. Limitazione a 10 kt (dentro ai LNGS) molto severa: richiede una compensazione con potenze elevate Off-axis con un ragionevole upgrade dell'sps@400 GeV (< x 3): soffre di più delle degenerazioni introdotte dall'ignoranza della gerarchia di massa rispetto al 50 GeV on-axis. 10 km è migliore anche se per basse esposizioni vince il sito 7 km off-axis. Anche in questo caso sono necessarie masse notevoli. Confronto con una baseline di 2290 km (on-axis + 50 GeV p-driver): la CP performance è migliore anche se non drammaticamente rispetto a 730 km. Superiore per la MH. La dipendenza dalla baseline non appare molto forte ma distanze intermedie ( km) sembrano essere favorite: il 2o massimo diventa utilizzabile e ''paga'' ad alte esposizioni (favorevole anche in relazione al controllo delle sistematiche: informazione spettrale) Il controllo degli errori sistematici è cruciale (e non banale!)

32 32 I sistematici sono imbattibili?... talvolta si è stati troppo pessimisti! Da F. Terranova, NUFACT2012 CHOOZ 1997 Daya Bay 2012

33 33 Tabella riassuntiva 5 % Sys. Err. LAr TPC CP (%) MH (%) On axis 50 GeV L=730 km 10 kt 0.77 MW 10 y % 10 kt 1.0 MW 10 y % 10 kt 2.4 MW 10 y % 50 % Off-axis 400 GeV (7 km) L=730 km 20 kt 0.77 MW 10 y 5-10 % 25% 30 kt 0.77 MW 10 y % 35% 100 kt 0.77 MW 10 y % 50% Off-axis 400 GeV (10 km) L=730 km 20 kt 0.77 MW 10 y - 30 % 30 kt 0.77 MW 10 y % 35 % 100 kt 0.77 MW 10 y % 50 %

34 34 Extra

35 35 Exercise: low-e + short baseline (~100 km)? Philosophy of SPL-Fréjus (L=130 km) Ep = 4.5 GeV, 4 MW SPL Despite better performances of LAr quite large masses are still required to get a reasonable coverage even with a 4 MW driver. NB. original design is 440 kt of water 10 kt New J.Phys. 4 (2002) 8 JHEP 0704 (2007) 003 E.P.J.C 71:1745, kt 100 kt Normal (known) Inverted (known) Normal (unknown) Inverted (unknown) 10 kt MW 10y 0% 50 kt MW 10y 40-45% 100 kt MW 10y 50-55% Not suited for existing underground. Would need an external site (and p-driver).

36 13 θ13 T2K TURN, LNGS May ± 0.016(stat) ± 0.005(syst) used in the following 36

37 Siti per il rivelatore lontano CERN - Gran Sasso (730 km) * Strutture esistenti * Moderata grandezza delle halls (< 10 kt di LAr ) 37 CERN - Gran Sasso 7 km off -axis * Masse maggiori in un sito poco profondo * SPS off-axis Limitazione nel flusso CERN - Phyäsalmi (2290 km) * Opzione minimale: SPS + 20 kt LAr * Opzione ultima: 100 kt con un driver dedicato a 50 GeV

38 38

39 39 Error on δ On axis 7 kton 3e21 pot/y 5+5 years 0.05 sys Known hierarchy

40 sin^2 2theta_13= sin^2 2theta_13= 0.01 Run sharing sin^2 2theta_13= Hyper-K 90 %CL Hyper-K nominal Hyper-K 4.5 kt NOvA

41 41 Comparison with LBNE for CPV 700 kw 120 GeV 34 kton 5+5 1% norm err on signal! Coverage ~ 67 %

42 42 Mass hierarchy NOvA Messier, Moriond EWK LAr TPC see Agarwalla at NOW 2012