PPFX FOR DUNE Amit Bashyal Oregon State University 1 - - PowerPoint PPT Presentation

PPFX ¡FOR ¡DUNE

Amit ¡Bashyal Oregon ¡State ¡University

1

INTRODUCTION

• My ¡Goals:
• Improve ¡DUNE ¡flux ¡prediction ¡using ¡external ¡hadron ¡production ¡data
• Obtain ¡first ¡estimate ¡of ¡DUNE’s ¡hadron ¡production ¡flux ¡uncertainties
• Obtain ¡an ¡overall ¡interaction ¡map ¡of ¡all ¡particles ¡and ¡sort ¡out ¡the ¡interaction ¡

covered ¡and ¡not ¡covered ¡by ¡current ¡Thin ¡Target ¡Experiment

• Method:
• Use ¡PPFX, ¡a ¡package ¡developed ¡by ¡Leo ¡Aliaga for ¡MINERvA with ¡successful ¡

results ¡(see ¡Leo’s ¡Thesis ¡Talk ¡: ¡Neutrino ¡Flux ¡Prediction ¡for ¡the ¡NuMI Beamline)

2

Overview ¡of ¡PPFX

• Uses ¡Dk2nu ¡and ¡dkmeta objects ¡

made ¡by ¡g4lbnf ¡for ¡each ¡ neutrino ¡event ¡as ¡inputs

• Identifies ¡events ¡covered ¡by ¡

current ¡thin ¡target ¡experiments ¡ with ¡appropriate ¡scaling ¡of ¡ energy ¡

• Varies ¡cross ¡sections ¡randomly ¡

within ¡errors ¡to ¡propagate ¡ hadron ¡production ¡ uncertainties ¡to ¡neutrino ¡flux ¡

• Also ¡can ¡apply ¡weight ¡to ¡correct ¡

simulation ¡to ¡match ¡HP ¡data

• We ¡are ¡not ¡doing ¡this ¡yet ¡(it ¡will ¡

require ¡running ¡a ¡bunch ¡of ¡thin ¡ target ¡simulations)

3

Hadron ¡Production ¡Correction ¡Procedure

• For ¡each ¡interaction ¡in ¡neutrino ¡ancestry ¡a ¡correction ¡is ¡computed ¡

from ¡yields ¡or ¡invariant ¡cross ¡sections ¡measured ¡in ¡thin ¡target ¡data ¡ and ¡Monte ¡Carlo.

• This ¡corrects ¡differential ¡cross ¡sections ¡(changing ¡the ¡Pt/Pz spectrum ¡of ¡

particles ¡off ¡the ¡target)

• Attenuation ¡corrections ¡(inside ¡and ¡outside ¡target) ¡inversely ¡

proportional ¡to ¡the ¡exponential ¡of ¡difference ¡between ¡Data ¡and ¡MC ¡ cross ¡section.

• This ¡corrects ¡the ¡total ¡cross ¡section ¡(effectively ¡changing ¡the ¡average ¡

longitudinal ¡position ¡of ¡interactions ¡the ¡target ¡and ¡the ¡total ¡number ¡of ¡ interactions ¡in ¡the ¡target)

4

Fl Flux ¡ ¡Uncertainties ¡ ¡Propagation

• PPFX ¡uses ¡the ¡“many ¡universe”techniquefor ¡uncertainty ¡propagation
• Each ¡universe ¡uses ¡a ¡random ¡value ¡for ¡each ¡underlying ¡parameter ¡

that ¡affects ¡the ¡flux ¡(cross ¡sections ¡in ¡our ¡case), ¡drawn ¡from ¡gaussians with ¡width ¡equal ¡to ¡the ¡uncertainty ¡on ¡the ¡relevant ¡parameter ¡and ¡ taking ¡into ¡account ¡correlations ¡

• We ¡simulate ¡flux ¡for ¡large ¡number ¡of ¡universes ¡(100 ¡for ¡this ¡talk).
• The ¡RMS ¡of ¡flux ¡from ¡each ¡universe ¡is ¡the ¡uncertainty ¡on ¡the ¡

predicted ¡flux.

5

What ¡I ¡Did ¡to ¡Make ¡PPFX ¡Work ¡For ¡DUNE

• In ¡g4lbnf: ¡
• Wrote ¡the ¡necessary ¡branches ¡for ¡ppfx and ¡functions ¡to ¡get ¡the ¡required ¡
• information. ¡
• In ¡PPFX: ¡
• Changes ¡made ¡in ¡setup ¡script ¡to ¡make ¡it ¡compatible ¡for ¡dune ¡machine ¡

compilation.

• g4lbnf ¡volume ¡parts ¡hard ¡coded ¡along ¡with ¡numi volume ¡parts ¡for ¡interaction ¡

map.

• Target ¡information ¡added ¡for ¡reference ¡and ¡optimized ¡for ¡attenuation ¡

correction.

6

Beam ¡Line ¡Parameters

• Reference ¡Design
• 1 ¡m ¡long ¡target
• Numi like ¡horns
• 80 ¡GeV and ¡1.2 ¡MW ¡proton ¡beam
• Optimized ¡Beam
• 2.37 ¡m ¡long ¡target
• LBNO ¡style ¡horns ¡(2 ¡horns)
• 60 ¡GeV and ¡1.2 ¡MW ¡proton ¡beam

7

Energy(GeV) ν 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Weighted Neutrino Flux 0.5 1 1.5 2 2.5

12 −

10 ×

nu_flux_ancestry_7

Entries 9427776 Mean 3.053 Std Dev 1.59

flux at near detector

µ

ν Total flux at near detector for ancestry 3

µ

ν flux at near detector for ancestry 4

µ

ν flux at near detector for ancestry 5

µ

ν flux at near detector for ancestry 6

µ

ν

Reference ¡Flux

How ¡to ¡interpret ¡the ¡legend:

• 3. proton-­‑>X-­‑>neutrino

(no ¡secondary ¡interaction)

• 4. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>neutrino

(one ¡secondary ¡interaction)

• 5. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>Z-­‑>neutrino

(two ¡secondary ¡interactions) …

Significant ¡fraction ¡of ¡the ¡neutrino ¡ flux ¡below ¡ 1.5 ¡GeV comes ¡from ¡secondary ¡interactions. ¡ More ¡Interactionsà More ¡uncertainty

8

Energy(GeV) ν 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Weighted Neutrino Flux 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4

12 −

10 ×

nu_flux_ancestry_7

Entries 1.042433e+07 Mean 2.954 Std Dev 1.546

flux at near detector

µ

ν Total flux at near detector for ancestry 3

µ

ν flux at near detector for ancestry 4

µ

ν flux at near detector for ancestry 5

µ

ν flux at near detector for ancestry 6

µ

ν

9

How ¡to ¡interpret ¡the ¡legend:

• 3. proton-­‑>X-­‑>neutrino

(no ¡secondary ¡interaction)

• 4. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>neutrino

(one ¡secondary ¡interaction)

• 5. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>Z-­‑>neutrino

(two ¡secondary ¡interactions) …

Significant ¡fraction ¡of ¡the ¡neutrino ¡ flux ¡below ¡ 1.5 ¡GeV comes ¡from ¡secondary ¡interactions. ¡ More ¡Interactionsà More ¡uncertainty

Optimized ¡Flux

1.1984 0.0102 0.0032 0.0020 0.0016 0.0020 0.0009 0.0011 0.0036 0.0269 0.0025 0.0008 0.0002 0.0006 0.0001 0.0003 0.0554 0.0048 0.0017 0.0003 0.0005 0.0013 0.0002 0.0006 0.0903 0.0137 0.0041 0.0023 0.0012 0.0003 0.0020 0.0007 0.0005 0.0089 0.0001 0.0002 0.0034 0.0010 0.0003 0.0002 0.0043 0.0010 0.0001 0.0003 0.0011 0.0001 0.0015 0.0001 0.0001 0.0002 0.0018 0.0004 0.0001 0.0041 0.0004 0.0012 0.0010 0.0040 0.0003 0.0003 0.0002 0.0001

material

Carbon Aluminum Steel Beryllium Helium Concrete Water Titanium Air

incident particle

proton pi- neutron pi+ Lambda0 K_L0 K+ antiproton K- antineutron K_S0 Lambda0_bar Sigma- Sigma+ Xi-_bar Xi0 Xi- Sigma+_bar Sigma-_bar Xi0_bar Omega+

h_in_vs_mat

Entries 41441 Mean x 0.6277 Mean y 1.038 Std Dev x 0.7643 Std Dev y 1.536

0.2 0.4 0.6 0.8 1

h_in_vs_mat

Entries 41441 Mean x 0.6277 Mean y 1.038 Std Dev x 0.7643 Std Dev y 1.536

Interaction ¡Map ¡for ¡Reference ¡design Incident ¡particles ¡per ¡near ¡detector ¡neutrino ¡ on ¡ beamline materials ¡covered ¡excluding ¡the ¡thick ¡ target ¡data ¡coverage

10

1.2486 0.0103 0.0237 0.0045 0.0038 0.0093 0.0019 0.0064 0.0022 0.0630 0.0221 0.0003 0.0138 0.0030 0.0024 0.0129 0.0003 0.0006 0.0009 0.0821 0.0069 0.0093 0.0011 0.0001 0.0020 0.0007 0.0001 0.0010 0.0109 0.0051 0.0058 0.0006 0.0002 0.0004 0.0001 0.0059 0.0002 0.0002 0.0003 0.0065 0.0023 0.0006 0.0002 0.0005 0.0005 0.0017 0.0007 0.0003 0.0055 0.0003 0.0003 0.0004 0.0013 0.0002 0.0011 0.0003 0.0070 0.0003 0.0005 0.0004 0.0010 0.0012 0.0005 0.0004 0.0007 0.0005 0.0003 0.0002

material

Carbon Aluminum Argon Steel Water Air Beryllium Titanium Concrete Helium

incident particle

proton pi+ neutron pi- Lambda0 K+ antineutron K_S0 antiproton K- K_L0 Sigma+ Lambda0_bar Xi0 Sigma+_bar Sigma- Sigma-_bar Xi- Xi-_bar Xi0_bar

h_in_vs_mat

Entries 41746 Mean x 0.8605 Mean y 0.9426 Std Dev x 1.29 Std Dev y 1.376

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

h_in_vs_mat

Entries 41746 Mean x 0.8605 Mean y 0.9426 Std Dev x 1.29 Std Dev y 1.376

Interaction ¡Map ¡for ¡Optimized ¡design Incident ¡particles ¡per ¡near ¡detector ¡neutrino ¡ on ¡ beamline materials ¡covered ¡by ¡excluding ¡the ¡thick ¡ target ¡data ¡coverage

11

12

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

• 1. Total ¡Hadron ¡Production ¡Uncertainty
• 2. All ¡interactions ¡not ¡covered ¡below) ¡ ¡
• 3. Pion ¡production ¡from ¡proton+Carbon Interactions
• 4. Kaon production ¡from ¡proton+Carbon Interactions
• 5. Pion ¡production ¡from ¡neutron+Carbon Interactions
• 6. Nucleon ¡production ¡from ¡proton+Carbon Interactions
• 7. Meson ¡incident ¡Interactions
• 8. Nucleon ¡Incident ¡interactions ¡not ¡covered ¡by ¡any ¡data
• 9. Absorption ¡outside ¡the ¡target
• 10. Absorption ¡inside ¡the ¡target

2 ¡contains ¡the ¡interactions ¡3,4,5,6,7,9 ¡ and ¡10 ¡category ¡ interactions ¡that ¡are ¡not ¡covered ¡by ¡thin ¡target ¡data.

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

htotal_numu_0_error

Entries 22 Mean 10.08 Std Dev 5.832

Total HP

• thers

X π pC--> pC-->KX X π nC--> pC-->nucleonX meson inc. nucloen-A

• ther abs.

Target Absorption

HADRON ¡ PRODUCTION ¡ UNCERTAINTY ¡for ¡ minerva)

HP ¡Uncertainty ¡from ¡Leo’s ¡Paper Minerva ¡HP ¡uncertainties ¡made ¡by ¡Amit Minerva ¡HP ¡Uncertainties

13

Hadron ¡Production ¡Uncertainty ¡ for ¡Reference ¡Design ¡ For ¡muon neutrino ¡at ¡ND

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

htotal_numu_0_error

Entries 7 Mean 10.54 Std Dev 6.932

Total HP

• thers

X π pC--> pC-->KX X π nC--> pC-->nucleonX meson inc. nucloen-A

• ther abs.

Target Absorption

14

Hadron ¡Production ¡ Uncertainty ¡for ¡Optimized ¡Des ¡ ign For ¡muon neutrino ¡at ¡ND

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

htotal_numu_0_error

Entries 5 Mean 11.21 Std Dev 6.663

Total HP

• thers

X π pC--> pC-->KX X π nC--> pC-->nucleonX meson inc. nucloen-A

• ther abs.

Target Absorption

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Hadron ¡Production ¡Uncertainty ¡

• At ¡the ¡moment, ¡the ¡HP ¡uncertainties ¡are ¡slightly ¡lower ¡for ¡g4lbnf ¡design ¡

compared ¡to ¡numi design. ¡

• I ¡am ¡currently ¡investigating ¡this
• Optimized ¡beam ¡seems ¡to ¡be ¡performing ¡slightly ¡better ¡compared ¡to ¡

Reference ¡beam.

• Also ¡investigating!
• Especially: ¡attenuation ¡uncertainty, ¡meson ¡incident ¡uncertainty
• But ¡we ¡are ¡still ¡in ¡the ¡process ¡of ¡validation. ¡Known ¡issues
• Optimized ¡simulation ¡lacks ¡full ¡material ¡description
• Need ¡additional ¡uncertainty ¡for ¡optimized ¡beam ¡to ¡account ¡for ¡scaling ¡to ¡60 ¡GeV

instead ¡of ¡120

• Or, ¡use ¡a ¡different ¡dataset!

16

Average ¡number ¡of ¡ Interactions ¡per ¡muon neutrino ¡handled ¡by ¡ different ¡reweighters on ¡ NUMI ¡beamline From ¡Leo’s ¡Dissertation

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neutrino energy (GeV) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 number of interactions 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

h_aveint_vs_enu_tot

Entries 7392 Mean 9.681 Std Dev 5.782

Total HP X π pC--> pC-->KX X π nC--> pC-->nucleonX meson inc. nucloen-A

• thers

total Average ¡number ¡of ¡Interactions ¡ per ¡100 ¡muon neutrino ¡ excluding ¡the ¡thick ¡target ¡ coverage ¡for ¡DUNE ¡REF ¡ Beamline

18

neutrino energy (GeV) 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 number of interactions 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

h_aveint_vs_enu_tot

Entries 7904 Mean 9.511 Std Dev 5.723

Total HP X π pC--> pC-->KX X π nC--> pC-->nucleonX meson inc. nucloen-A

• thers

total Average ¡number ¡of ¡Interactions ¡ per ¡100 ¡muon neutrino ¡ excluding ¡thick ¡target ¡coverage ¡

• n ¡DUNE ¡OPT ¡Beamline

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Conclusion ¡and ¡Future ¡Works

• Validation ¡and ¡Possible ¡debugging ¡still ¡left.
• Meson ¡Incidents ¡suspicious ¡for ¡reference ¡and ¡optimized ¡target.
• Next ¡step ¡is ¡to ¡reproduce ¡the ¡ppfx results ¡in ¡g4lbnf ¡with ¡numi

beamline (long ¡decay ¡pipe, ¡large ¡horn ¡1-­‑horn2 ¡distance, ¡target, ¡ proton ¡energy……) ¡and ¡compare ¡with ¡ppfx from ¡minerva ntuples.

20

BACK ¡UP ¡SLIDES

21

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16

htotal_numu_0_error

Entries 7 Mean 10.54 Std Dev 6.932

Reference Optimized

22

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016

hothers_numu_0_error

Entries Mean 8.385 Std Dev 6.395

Reference Optimized

23

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04

htargetpcpi_numu_0_error

Entries 1 Mean 6.278 Std Dev 5.104

Reference Optimized

24

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

3

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

htargetpcK_numu_0_error

Entries 2 Mean 14.95 Std Dev 5.267

Reference Optimized

25

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

4

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01

htargetncpi_numu_0_error

Entries Mean 8.934 Std Dev 6.313

Reference Optimized

26

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014

htargetpcnu_numu_0_error

Entries Mean 8.41 Std Dev 6.346

Reference Optimized

27

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

6

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

htargetmesonInc_numu_0_error

Entries 1 Mean 8.068 Std Dev 6.369

Reference Optimized

28

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

7

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14

htargetnucleonA_numu_0_error

Entries 6 Mean 10.7 Std Dev 6.371

Reference Optimized

29

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

8

30

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025

habsorption_numu_0_error

Entries Mean 7.698 Std Dev 6.062

Reference Optimized

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

9

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

htargetabsorption_numu_0_error

Entries 1 Mean 7.183 Std Dev 6.243

Reference Optimized

31

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

10

PPFX ¡Reweighters. Credits: ¡Leo ¡Aliaga These ¡are ¡the ¡current ¡hadron ¡ production ¡ corrections. Thick ¡Target: ¡MIPP ¡Data ¡(not ¡used) Thin ¡Target ¡(NA49 ¡and ¡Barton) ¡ Attenuation: ¡Absorption ¡ inside ¡and ¡

• utside ¡target ¡correction.

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