A new proton spill from CERN to Gran Sasso
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Description
Since 21 October, CERN has been sending a new type of neutrino beam to Gran Sasso. The new configuration is intended to allow the experiments to define the departure time of the neutrinos more accurately and thus check the previous results obtained using the nominal beam configuration.
The CERN Neutrino to Gran Sasso (CNGS) beam no longer operates using the standard beam time structure. Instead, a new type of proton pulse is being produced by CERN’s accelerators and sent to the graphite target to generate neutrinos. “We are now producing extremely short beam pulses,” explains Edda Gschwendtner, the physicist in charge of the CNGS secondary beam. “During a CNGS cycle we now have a LHC type bunched beam with four bunches, each about 2 ns long. Each bunch contains more than 2.5 x 1011 protons; bunches are spaced by 500 ns. In total, this makes about 1012 protons on target for each extraction from the SPS.”
The CNGS beam was originally designed to maximize the number of muon neutrinos produced and sent to Gran Sasso. This was done to increase the probability of observing the “oscillations” as muon neutrinos turn into tau neutrinos. However, after the recent measurement of the neutrino’s speed, it has become important for experiments downstream to receive shorter beam pulses to allow for a more precise definition of the departure time. “The nominal CNGS beam cycle has two pulses each, 10.5 μs long and has a total of about 4x1013 protons on target per cycle. In the present configuration, we have a factor of 40 fewer protons per cycle, but in 4 much shorter pulses. Thanks to a huge effort from many experts in the accelerator sector and to experience acquired with the LHC beam, it was possible to make this special proton beam available and to send it to the CNGS target,” says Edda.
“This beam configuration allows experiments to connect each single neutrino event to the corresponding pulse of protons that generated it. In this way, one can obtain the statistical significance of the result, which is comparable to the one obtained by OPERA, using two orders of magnitude fewer events,” says Sergio Bertolucci, CERN Director for Research and Computing. “Moreover, several if not all the possible details of neutrino production during the spill – such as energy distribution, production rate, etc. – become irrelevant. This allows experiments to remove an important source of systematic error.”
The experimental teams at Gran Sasso are accumulating data using the beam with the short proton spills. This 2011 technical run will make it possible, in the short time available, to test this new operational mode. This will also help to assess the benefits of a dedicated run with such short proton spills in 2012, when all the four Gran Sasso experiments – BOREXINO, ICARUS, LVD, OPERA – will be in a position to perform independent measurements of the neutrino’s time of flight.
The CNGS beam will be kept in this mode of operation until 7 November. After that, there will be a technical stop until 11 November.
Other (French)
Depuis le 21 octobre, le CERN envoie un nouveau type de faisceaux de neutrinos vers le Gran Sasso. Cette nouvelle configuration devrait permettre de mieux définir le temps de départ des neutrinos, éliminant ainsi les éventuelles erreurs systématiques susceptibles de se produire avec le mode nominal du faisceau.
Pour produire le faisceau CNGS (Neutrinos du CERN vers le Gran Sasso), on n’utilise plus un faisceau ayant la structure temporelle normale. Les accélérateurs du CERN produisent et envoient sur la cible en graphite un nouveau type d’impulsions de protons afin d’y créer des neutrinos. « Nous produisons maintenant des impulsions de faisceau extrêmement brèves, explique Edda Gschwendtner, la physicienne responsable du faisceau secondaire CNGS. Pendant un cycle CNGS, nous utilisons désormais un faisceau comportant un train de paquets du type LHC, avec quatre paquets d’environ 2 ns chacun. Les paquets sont espacés de 500 ns et contiennent chacun plus de 2,5 x 1011 protons, ce qui donne au total environ 1012 protons sur la cible à chaque extraction du SPS. »
À l’origine, le faisceau CNGS a été conçu de façon à produire et envoyer vers le Gran Sasso le plus grand nombre possible de neutrinos mu, et ainsi augmenter la probabilité d’observer les oscillations des neutrinos mu se transformant en neutrinos tau. Toutefois, suite à la récente mesure de la vitesse des neutrinos, il est devenu essentiel pour les expériences situées en aval de recevoir des impulsions de faisceau plus courtes afin de définir de manière plus précise le temps de départ. « Le cycle du faisceau nominal CNGS comprend deux impulsions de chacune 10,5 μs ; au total, environ 4 x 1013 protons sont envoyés sur la cible par cycle. Dans la nouvelle configuration, nous avons 40 fois moins de protons par cycle, mais répartis en quatre impulsions beaucoup plus courtes. Grâce aux très grands efforts de nombreux spécialistes des accélérateurs et à l’expérience acquise avec le faisceau du LHC, nous avons pu concevoir ce faisceau de protons spécial et l’envoyer sur la cible du CNGS », souligne la physicienne.
« Cette configuration de faisceau permet aux expériences de mettre en correspondance chaque événement neutrino avec l’impulsion de protons qui l'a produit. De cette manière, nous pouvons obtenir une signifiance statistique du résultat comparable à celle déjà obtenue par OPERA, avec cent fois moins d’événements, explique Sergio Bertolucci, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN. En outre, plusieurs, voire tous les détails possibles de la production de neutrinos pendant le déversement, comme la distribution d’énergie, le taux de production, etc, perdent toute importance. Cela permet aux expériences d’éliminer une source majeure d’erreur systématique. »
Les équipes d’expérimentateurs au Gran Sasso accumulent actuellement des données en utilisant le faisceau issu des brèves rafales de protons. Cette exploitation technique 2011 permettra, dans le peu de temps disponible, de tester ce nouveau mode d’exploitation. Cela permettra également d’évaluer les bénéfices d’une éventuelle exploitation spéciale avec des déversements de protons brefs en 2012, lorsque les quatre grandes expériences du Gran Sasso (BOREXINO, ICARUS, LVD et OPERA) seront à même de mesurer de manière indépendante le temps de vol des neutrinos.
Ce mode d’exploitation du faisceau CNGS sera maintenu jusqu’au 7 novembre. Un bref arrêt technique suivra, et ce jusqu’au 11 novembre.
Additional details
Identifiers
- CDS
- 1394597
- CDS Report Number
- BUL-NA-2011-294
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- Is published in
- Periodical issue: y21xe-vq659 (CDS)
- Periodical issue: nneze-cp370 (CDS)