PPFX Implementation in DUNE Amit Bashyal (Oregon State - PowerPoint PPT Presentation

PPFX Implementation in DUNE Amit ¡Bashyal (Oregon ¡State ¡University) On ¡behalf ¡of ¡ Deep ¡Underground ¡Neutrino ¡Experiment ¡(DUNE) Collaboration 1

Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) • DUNE ¡is ¡a ¡future ¡long ¡baseline ¡ neutrino ¡experiment Neutrino ¡oscillation ¡studies ¡to ¡ • test ¡CP ¡violations ¡in ¡lepton ¡sector ¡ and ¡ ¡mass ¡ordering ¡ • Near ¡Detector ¡will ¡be ¡at ¡574 ¡m ¡ from ¡the ¡start ¡of ¡first ¡focusing ¡ horn • Far ¡Detector ¡at ¡1300 ¡km ¡in ¡ Sanford, ¡South ¡Dakota 2

DUNE Beamline (Reference) Simulation ¡starts ¡from ¡proton ¡beam ¡ hitting ¡the ¡target ¡to ¡neutrino ¡ production Magnetic ¡horns ¡to ¡ focus ¡pions and ¡ Proton ¡Beam ¡hits ¡the ¡target • kaons Charged ¡pions and ¡kaons are ¡ • Horn ¡2 produced ¡which ¡in ¡turn ¡are ¡focused ¡ Horn ¡1 by ¡magnetic ¡horns Proton ¡ 200 ¡meters ¡long ¡ Beam Decay ¡Pipe 200 ¡meters ¡long ¡decay ¡pipe ¡to ¡let ¡ • focused ¡pions and ¡kaons decay ¡to ¡ Target produce ¡neutrinos 3

DUNE Beamline (Reference & Optimized) Horn ¡C Horn ¡B ¡ Horn ¡A Horn ¡1 Horn ¡2 Beam/Parameters Reference Optimized Target 1 ¡meter ¡graphite 2 ¡meter ¡graphite Nominal Optimized Horns 2 ¡horn ¡(Numi Style) 3 ¡Horn ¡(Ideal, no ¡ Eng. ¡Constraints) Current 230 ¡kA 298 ¡kA 4 Proton Energy 120 ¡GeV 120 ¡GeV

DUNE Beam Simulation • LBNF ¡beam ¡line ¡(g4lbnf) ¡written ¡with ¡GEANT4 ¡package • Detailed ¡simulation ¡of ¡particle ¡production, ¡transportation ¡and ¡decay ¡leading ¡ to ¡the ¡neutrino ¡flux ¡production • Produced ¡neutrinos ¡are ¡projected ¡at ¡the ¡Far ¡and ¡Near ¡Detector ¡locations ¡for ¡ physics ¡studies. 5

Numu Flux at Near Detector − 3 × 10 Beam/Parameters Reference Optimized 0.35 Reference Optimized 0.3 Target 1 ¡meter ¡graphite 2 ¡meter ¡graphite / POT 0.25 Horns 2 ¡horn ¡(Numi Style) 3 ¡Horn ¡(Ideal, no ¡ Eng. ¡Constraints) 2 s / GeV / m 0.2 Current 230 ¡kA 298 ¡kA 0.15 µ ν Proton Energy 120 ¡GeV 120 ¡GeV Unosc 0.1 0.05 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ν Energy (GeV) µ 6

Neutrino Flux Prediction Business Neutrino ¡Flux ¡Prediction ¡Business Near/Far ¡Flux ¡And ¡Their ¡ Systematics ¡in ¡ Correlation the ¡neutrino ¡Flux Matrix ¡Method Ratio ¡Method Focusing Hadron ¡Production It’s ¡a ¡ BOTTOM ¡TOP ¡BUSINESS … 7

Neutrino Flux Prediction Business Neutrino ¡Flux ¡Prediction ¡Business Near/Far ¡Flux ¡And ¡Their ¡ Systematics ¡in ¡ Correlation the ¡neutrino ¡Flux Matrix ¡Method Ratio ¡Method Focusing Hadron ¡Production Correlated ¡because ¡neutrino ¡flux ¡comes ¡from ¡ • • Uncertainties ¡in ¡beamline parameters à à Horn same ¡hadron ¡hose. position, ¡current, ¡target ¡position, ¡number ¡of ¡ Complex ¡correlation ¡because ¡of ¡detector ¡ • protons ¡hitting ¡the ¡target ¡etc. locations ¡and ¡beamline geometry 8

Uncertainties from Hadron Production Accurate ¡neutrino ¡ flux ¡prediction ¡relies ¡on ¡detailed ¡modeling ¡ and ¡ understanding ¡ of ¡processes ¡starting ¡from ¡primary ¡proton ¡on ¡carbon ¡ interaction ¡leading ¡to ¡neutrino ¡production Y X Primary Proton Primary ¡proton ¡hits ¡the ¡ Secondary ¡proton ¡re-­‑interacts ¡ A ¡pion ¡is ¡ target ¡and ¡produces ¡X to ¡produces ¡Y produced Pion ¡is ¡focused ¡by ¡ Pion ¡decays ¡to ¡ Magnetic ¡horn neutrino Simulated ¡neutrino ¡flux ¡relies ¡on ¡hadronicmodels ¡used ¡in ¡simulation ¡ • (QGSP_BERT,FTFP_BERT) Significant ¡disagreement ¡with ¡real ¡data • Constrain ¡the ¡hadron ¡production ¡models ¡by ¡external ¡data • 9

PPFX……Finally • An ¡experiment ¡independent ¡neutrino ¡ flux ¡determination ¡package ¡for ¡the ¡ NuMI beam* • Correction ¡for ¡hadron ¡production ¡ uncertainties ¡using ¡existing ¡ thin ¡target ¡ data ¡sets** • Developed ¡by ¡Leo ¡Aliaga for ¡the ¡ MINERvA collaboration • Currently ¡used ¡by ¡NoVA as ¡well *L. ¡Aliaga Soplin, ¡ Neutrino ¡Flux ¡Prediction ¡for ¡the ¡NuMI Beam, ¡ Phys. ¡Rev. ¡D ¡94, ¡092005 ¡(2016) ** ¡Data ¡set ¡names ¡are ¡listed ¡in ¡the ¡backup ¡slide 10

How PPFX Works? Coverage ¡of ¡interaction ¡by ¡ Existing ¡Data ¡sets Simulation Full ¡Neutrino ¡ For Direct ¡Coverage • Ancestry Each ¡interaction ¡in ¡an ¡ancestry Coverage ¡By ¡Extension • No ¡Coverage ¡at ¡all • *Coverage ¡by ¡Extension ¡of ¡Data ¡Sets Extend ¡the ¡coverage ¡for ¡interactions ¡that ¡are ¡not ¡ covered ¡directly ¡wherever ¡possible *No ¡Coverage ¡at ¡All Apply ¡uncertainties ¡based ¡on ¡best ¡estimation ¡from ¡ current ¡physics ¡models ¡if ¡an ¡interaction ¡is ¡not ¡covered ¡ Full ¡ancestry ¡of ¡a ¡neutrino ¡event ¡(from ¡primary ¡proton ¡ directly ¡or ¡indirectly hitting ¡target ¡to ¡neutrino ¡production) 11

Neutrino Ancestry and Hadronic Interaction in DUNE Flux • To ¡apply ¡the ¡constraints ¡from ¡Hadron ¡production ¡ Interactions coverage by Reweighters Total flux at near detector ν − 12 µ 10 × nu_flux_ancestry_7 2.5 Data ¡sets: Weighted Neutrino Flux ν flux at near detector for ancestry 3 ν µ Entries 9427776 Events per ND Thin Taget ν flux at near detector for ancestry 4 Mean 3.053 µ Total Absorption • Need ¡to ¡understand ¡the ¡ancestry ¡of ¡the ¡ Std Dev 1.59 − 4 10 ν flux at near detector for ancestry 5 Target Absorption µ 2 ν flux at near detector for ancestry 6 pC--> π X neutrino µ pC-->KX • Ancestry ¡3: ¡p à X à 𝜉 nC--> π X pC-->nucleonX 1.5 5 − • Ancestry ¡4: ¡p à X à Y à 𝜉 10 meson inc. nucleon-A • And ¡so ¡on 1 − 6 10 • Need ¡to ¡categorize ¡interactions ¡based ¡on ¡ 0.5 coverage ¡by ¡hadron ¡production ¡ data ¡set 7 0 − 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 100 50 0 50 100 150 200 250 − − ν Energy(GeV) Z cm DUNE ¡neutrino ¡flux ¡at ¡ND ¡for ¡80 ¡ Hadron ¡production ¡location ¡and ¡ GeV proton ¡beam ¡reference ¡design ¡ coverage ¡by ¡ppfx reweighters as ¡a ¡function ¡of ¡ancestry ¡length (not ¡a ¡stacked ¡plot) 12

How Uncertainties are Categorized 1 1. Total ¡Hadron ¡Production ¡Interactions 2 2. Interactions ¡(excluding ¡8. ¡interactions) ¡ ¡not ¡covered ¡by ¡any ¡of ¡the ¡below ¡categories. 3 3. Pion ¡production ¡in ¡proton ¡Carbon ¡Interaction 4 4. Kaon production ¡in ¡proton ¡Carbon ¡Interaction 5 5. Pion ¡production ¡in ¡neutron ¡Carbon ¡Interaction 6 6. Nucleon ¡production ¡in ¡proton ¡Carbon ¡Interaction 7 7. Meson ¡incident ¡Interactions 8 8. Nucleon ¡Incident ¡interactions ¡not ¡covered ¡by ¡any ¡data 2 ¡contains ¡the ¡interactions ¡3,4,5,6,7,9 ¡ and ¡10 ¡ 9 9. Absorption ¡outside ¡the ¡target category ¡interactions ¡that ¡are ¡not ¡covered ¡by ¡ thin ¡target ¡data. 10 10. Absorption ¡inside ¡the ¡target 13

How Uncertainties are Categorized 1 Hadron ¡Production 2 3 4 Based ¡on ¡ ¡pC Thin ¡Target ¡Data 5 6 Quasi ¡elastic ¡interactions , ¡ interactions ¡covered ¡by ¡material ¡ extensions ¡ and ¡ interactions ¡outside ¡the ¡range ¡of ¡thin ¡target ¡data ¡ 7 sets 8 9 Meson ¡Incidents ¡have ¡large ¡ 10 uncertainties 14

How Uncertainties are Categorized 1 Attenuation 2 3 • When ¡a ¡particle ¡traverses ¡through ¡the ¡volume, ¡correction ¡is: 𝑶𝑩 𝝇(𝝉𝑬𝒃𝒖𝒃 ¡0 ¡𝝉𝑵𝑫) • 𝒅 𝒔 = ¡𝒇 ' 4 [1] 𝑩 5 • When ¡an ¡interaction ¡happens ¡inside ¡a ¡volume: 6 𝑶𝑩 𝝇(𝝉𝑬𝒃𝒖𝒃 ¡0 ¡𝝉𝑵𝑫) • 𝒅 𝒔 = ¡ 𝝉 𝑬𝒃𝒖𝒃 𝝉 𝑵𝑫 𝒇 ' [1] 𝑩 7 • Here: 8 • C(r ¡) ¡is ¡the ¡central ¡value ¡correction • 𝑂 5 ¡ is ¡the ¡number ¡of ¡atoms ¡with ¡atomic ¡number ¡A ¡seen ¡by ¡the ¡particle ¡ 9 when ¡it ¡traverses ¡the ¡volume 10 15