Analiza danych eksperymentu MiniBooNE

(1)

Analiza danych eksperymentu MiniBooNE

na rozpraszanie elastyczne neutrin przez prąd neutralny

Seminarium Zakładu Fizyki Neutrin 28.01.2013

Tomasz Golan

(2)

Analiza danych eksperymentu MiniBooNE

na rozpraszanie elastyczne neutrin przez prąd neutralny

 Oddziaływanie elastyczne neutrino-nukleon (-jądro)

 Prądy wymiany mezonów (Meson Exchange Currents - MEC)

 Dane MiniBooNE (MB)

 Motywacje

 Analiza danych MB w oparciu o generator NuWro

(3)

Oddziaływanie elastyczne (na nukleonie)

Amplituda rozpraszania:

n

N ^Z

⁰

^(W

^+/-

⁾

n (l)

N

(4)

Oddziaływanie elastyczne (na nukleonie)

n

N ^Z

⁰

^(W

^+/-

⁾

n (l)

N

Amplituda rozpraszania: stała Fermiego

prąd leptonowy prąd hadronowy

(5)

Prąd leptonowy

pola opisujące początkowy i końcowy stan leptonu

(6)

Prąd leptonowy

Prąd hadronowy

pola opisujące początkowy i końcowy stan nukleonu

(7)

Prąd leptonowy

Prąd hadronowy

G^m jest „teoretycznie niewyliczalne”!

(8)

Macierz operatora prądu dla CC

(9)

wektorowy czynnik postaci (form factor)

CVC (Conserved Vector Current)

elektromagnetyczne czynniki postaci znane z rozpraszania elektronów

(10)

masa aksjalna

aksjalny czynnik postaci

(11)

masa aksjalna

aksjalny czynnik postaci

pseudoskalarny czynnik postaci PCAC (Partially Conserved Axial Current)

(12)

Macierz operatora prądu dla NC

(13)

dziwny wektorowy form factor = 0

(14)

dziwny wektorowy form factor = 0

dziwny aksjalny form factor

parametr ustalany doświadczalnie

(15)

Oddziaływanie elastyczne (na jądrze)

(16)

Przybliżenie impulsowe

(17)

n

Z

⁰

(W

^+/-

)

n ( l )

(18)

Pomiary masy aksjalnej

Eksperyment Tarcza <E_n> [GeV] M_A[GeV] Referencja ANL D pik w 0.5 do 6 1.00 +/- 0.05 PRD 26, 537 (1982)

FNAL D 27 1.05 +0.12/-0.16 PRD 28, 436 (1983)

BNL D 1.6 1.07 +0.040/-0.045 PRD 42, 1331 (1990)

BNL Fe pik w 0.5 do 6 1.05 +/- 0.2 PRL 22, 1014 (1969) CERN CF₃Br pik w 0.5 do 6 0.94 +/- 0.17 PRD 16, 3103 (1977)

BNL HC, Al (?) pik w 0.5 do 6 1.06 +/- 0.05 PRD 35, 785 (1987) SKAT CF₃Br 9.0 1.04 +/- 0.05 +/- 0.14 ZPhysC 45, 551 (1990) NOMAD C 24 1.05 +/- 0.02 +/- 0.06 EurPhJC 63, 355 (2009)

K2K H₂O 1.3 1.20 +/- 0.12 PRD 74, 052002 (2006)

MINOS Fe pik w 10 do 30 1.26 +/- 0.17 AIPCon 1189, 133 (2009)

MiniBooNE CH 0.81 1.35 +/- 0.17 PRD81, 013005 (2010)

(19)

Prądy wymiany mezonów (Meson Exchange Currents)

n

**(2+)*N**

Z

⁰

(W

^+/-

)

n (l)

W NuWo mamy 3 modele:

 grupy IFIC (Nieves et al.) dla CC

 grupy z Lyon (Marteau et al.) dla CC

**(2+)*N**

(20)

Transverse Enhancement model

Wkład MEC do przekroju czynnego uzyskuje się poprzez

modyfikację wektorowych magnetycznych czynników postaci

gdzie są wyznaczone na podstawie danych elektronowych.

Przekrój czynny dla MEC wyznaczamy z różnicy:

(21)

Przekrój czynny per nukleon (NC elastic i MEC)

13% 7%

(22)

Pomiary masy aksjalnej II – czy MEC może wyjaśnić różnice?

Eksperyment Tarcza <E_n> [GeV] M_A[GeV] Referencja ANL D pik w 0.5 do 6 1.00 +/- 0.05 PRD 26, 537 (1982)

FNAL D 27 1.05 +0.12/-0.16 PRD 28, 436 (1983)

BNL D 1.6 1.07 +0.040/-0.045 PRD 42, 1331 (1990)

BNL Fe pik w 0.5 do 6 1.05 +/- 0.2 PRL 22, 1014 (1969) CERN CF₃Br pik w 0.5 do 6 0.94 +/- 0.17 PRD 16, 3103 (1977)

BNL HC, Al (?) pik w 0.5 do 6 1.06 +/- 0.05 PRD 35, 785 (1987) SKAT CF₃Br 9.0 1.04 +/- 0.05 +/- 0.14 ZPhysC 45, 551 (1990) NOMAD C 24 1.05 +/- 0.02 +/- 0.06 EurPhJC 63, 355 (2009)

K2K H₂O 1.3 1.20 +/- 0.12 PRD 74, 052002 (2006)

MINOS Fe pik w 10 do 30 1.26 +/- 0.17 AIPCon 1189, 133 (2009)

MiniBooNE CH 0.81 1.35 +/- 0.17 PRD81, 013005 (2010)

(23)

Eksperyment MiniBooNE

(24)

Detektor MiniBooNE

 12 metrów średnicy

 800 ton oleju mineralnego CH₂

 ok. 1500 fotopowielaczy

 mierzy światło Czerekowa i scyntylacyjne

(25)

Dane MiniBooNE (PRD 82, 092005 (2010))

Suma energii kinetycznych wszystkich nukleonów

w stanie końcowym Zmierzona masa

1.39

Obserwuje się tylko protony (neutrony widziane są jako efekt wtórnych ddziaływań)

Zdarzenia bez

naładowanego leptonu w stanie końcowym

dla g_s^A = 0 NCEL sample

(26)

Dane MiniBooNE (PRD 82, 092005 (2010))

Zmierzony wkład od kwarków dziwnych do przekroju czynnego (dla MA = 1.35 GeV):

g_A^s = 0.08 +/- 0.26

” np -> np ” = zdarzenia z protonem powyżej progu Czerenkowa oraz q > 60⁰ w przybliżeniu są to zdarzenia na protonie bez reinterakcji

NCEL high energy sample

(27)

Motywacje

 analiza danych MB w oparciu o generator NuWro

 dofitowanie M_A i g_A^s

 zbadnie wpływu MEC na wyniki

cel poboczny: test kaskady nukleonów

(28)

Procedura „rozkładania” (unfolding)

 dane MB podane są jako funkcja energii rekonstruowanej (n)

 teoria przewiduje rozkłady w energii prawdziwej (m)

 procedura unfolding tłumaczy m ^ n

dirt and other backgrounds Sygnały:

1. oddziaływanie na wodorze

2. oddziaływanie na protonie bez FSI 3. oddziaływanie na protonie z FSI 4. oddziaływanie na neutronie

5. nieredukowalne tło (produkcja p + absorpcja)

macierz odpowiedzi (response matrix)

(29)

Macierze odpowiedzi

 5 macierzy 51x51 dla NCEL sample

 dla energii prawdziwej 50 binów od 0 do 900 MeV + ostatni > 900 MeV

 dla energii rekonstruowanej 51 binów od 40 do 650 MeV

 10 macierzy 30x30 dla NCEL sample (5 dla licznika i 5 dla mianownika)

 dla energii prawdziwej 28 binów od 300 do 900 + pierwszy < 300 MeV + ostatni > 900 MeV

 dla energii rekonstruowanej 30 binów od 350 do 800 MeV

 każda kolumna jest unormowana do efficiency

(30)

(31)

(32)

(33)

Wyznaczanie energii rekonstruowanej

dla każdego zdarzenia liczymy m sumę energii kinetycznych wszystkich nukleonów w stanie końcowym

S = efficiency

ustalamy czy nukleon

był widziany w detektorze

ustalamy jaka energia była widziana w detektorze

(34)

Wyznaczanie energii rekonstruowanej dla MEC

 w analizie MiniBooNE MEC nie był brany pod uwagę

 w MEC mamy oddziaływanie na dwóch nukleonach

 nie możemy traktować każdego nukleonu osobno

(pojedynczy nukleon może wyprodukować za mało światła, żeby był zaakceptowany)

 liczymy m dla wszystkich nukleonów w stanie końcowym i korzystamy z macierzy odpowiedzi dla sygnału:

• na neutronie, gdy były dwa neutrony w pierwotnym wierzchołku

• na protonie z FSI, dla pozostałych przypadków

Proton-enriched dla MEC

 jeśli w zdarzeniu pojawia się proton o q > 60⁰, tłumaczymy jego energię kinetyczną

na rekonstruowaną (jak dla sygnału na protonie bez FSI) i sprawdzamy, czy jest powyżej progu Czerenkowa

(35)

Wyniki Stała masa aksjalna dla wodoru = 1030 MeV, g_A^s = 0

c²_min / DOF = 26.1 / 50 c²_min / DOF = 25.8 / 50

(36)

Najlepszy fit

M_A = 1312 MeV

(37)

Dziwność

 dane nie są wystarczająco konsystentne, żeby wyznaczyć wkład od dziwności

 z wkładem MEC

g_A^s = -0.92 +/- 1.13 c²_min / DOF = 30.6 / 29

CL = 38.5%

 bez wkładu MEC

g_A^s = -0.04 +/- 0.45 c²_min / DOF = 27.8 / 29

CL = 52.9%

(38)

Podsumowanie

 wkład MEC wyjaśnia rozbieżność pomiarów masy aksjalnej z XX i XXI wieku

 wartość masy aksjalnej wyznaczona dla 3 scenariuszy:

 form factory BBBA M_A = 1003 +/- 87 MeV (stała M_A = 1030 MeV dla wodoru)

 form factory K. Graczyk M_A = 1002 +/- 83 MeV (stała M_A = 1030 MeV dla wodoru)

 form factory BBBA M_A = 1032+/- 93 MeV (M_A dla wodoru = M_A dla węgla)

 dane nie są wystarczająco dokładne, aby dało się wyznaczyć wkład od dziwności

Analiza danych eksperymentu MiniBooNE

Analiza danych eksperymentu MiniBooNE

Analiza danych eksperymentu MiniBooNE

n

N Z

(W

)

n (l)

N

n

N Z

(W

)

n (l)

N

n

Z

(W

)

n ( l )

n

(2+)*N

Z

(W

)

n (l)

(2+)*N

13% 7%

S = efficiency

N ^Z

^(W

⁾

N ^Z

^(W

⁾

**(2+)*N**

**(2+)*N**