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

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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)

Target Horn ¡1 Horn ¡2 Magnetic ¡horns ¡to ¡ focus ¡pions and ¡ kaons Proton ¡ Beam 200 ¡meters ¡long ¡ Decay ¡Pipe

• Proton ¡Beam ¡hits ¡the ¡target
• Charged ¡pions and ¡kaons are ¡

produced ¡which ¡in ¡turn ¡are ¡focused ¡ by ¡magnetic ¡horns

• 200 ¡meters ¡long ¡decay ¡pipe ¡to ¡let ¡

focused ¡pions and ¡kaons decay ¡to ¡ produce ¡neutrinos Simulation ¡starts ¡from ¡proton ¡beam ¡ hitting ¡the ¡target ¡to ¡neutrino ¡ production

3

DUNE Beamline (Reference & Optimized)

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Horn ¡1 Horn ¡2 Horn ¡B ¡ Horn ¡C Horn ¡A

Nominal Optimized

Beam/Parameters Reference Optimized Target 1 ¡meter ¡graphite 2 ¡meter ¡graphite Horns 2 ¡horn ¡(Numi Style) 3 ¡Horn ¡(Ideal, no ¡

• Eng. ¡Constraints)

Current 230 ¡kA 298 ¡kA 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.

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Numu Flux at Near Detector

6

Energy (GeV)

µ

ν 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 / POT

2

s / GeV / m

µ

ν Unosc 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

3 −

10 ×

Reference Optimized Beam/Parameters Reference Optimized Target 1 ¡meter ¡graphite 2 ¡meter ¡graphite Horns 2 ¡horn ¡(Numi Style) 3 ¡Horn ¡(Ideal, no ¡

• Eng. ¡Constraints)

Current 230 ¡kA 298 ¡kA Proton Energy 120 ¡GeV 120 ¡GeV

Neutrino Flux Prediction Business

Neutrino ¡Flux ¡Prediction ¡Business Near/Far ¡Flux ¡And ¡Their ¡ Correlation Systematics ¡in ¡ the ¡neutrino ¡Flux Focusing Hadron ¡Production Ratio ¡Method Matrix ¡Method

7

It’s ¡a ¡BOTTOM ¡TOP ¡BUSINESS…

Neutrino Flux Prediction Business

Neutrino ¡Flux ¡Prediction ¡Business Near/Far ¡Flux ¡And ¡Their ¡ Correlation Systematics ¡in ¡ the ¡neutrino ¡Flux Focusing Hadron ¡Production Ratio ¡Method Matrix ¡Method

• Correlated ¡because ¡neutrino ¡flux ¡comes ¡from ¡

same ¡hadron ¡hose.

• Complex ¡correlation ¡because ¡of ¡detector ¡

locations ¡and ¡beamline geometry

• Uncertainties ¡in ¡beamline parametersà

àHorn position, ¡current, ¡target ¡position, ¡number ¡of ¡ protons ¡hitting ¡the ¡target ¡etc.

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Uncertainties from Hadron Production

Primary Proton X Y

Primary ¡proton ¡hits ¡the ¡ target ¡and ¡produces ¡X Secondary ¡proton ¡re-­‑interacts ¡ to ¡produces ¡Y A ¡pion ¡is ¡ produced

Pion ¡is ¡focused ¡by ¡ Magnetic ¡horn Pion ¡decays ¡to ¡ 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

Accurate ¡neutrino ¡ flux ¡prediction ¡relies ¡on ¡detailed ¡modeling ¡ and ¡ understanding ¡ of ¡processes ¡starting ¡from ¡primary ¡proton ¡on ¡carbon ¡ interaction ¡leading ¡to ¡neutrino ¡production

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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

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How PPFX Works?

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Simulation Full ¡Neutrino ¡ Ancestry

Full ¡ancestry ¡of ¡a ¡neutrino ¡event ¡(from ¡primary ¡proton ¡ hitting ¡target ¡to ¡neutrino ¡production)

For Each ¡interaction ¡in ¡an ¡ancestry Coverage ¡of ¡interaction ¡by ¡ Existing ¡Data ¡sets

• Direct ¡Coverage
• 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 ¡ directly ¡or ¡indirectly

Neutrino Ancestry and Hadronic Interaction in DUNE Flux

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

10 ×

Z cm 100 − 50 − 50 100 150 200 250 ν Events per ND

10

10

10

10

Interactions coverage by Reweighters

• To ¡apply ¡the ¡constraints ¡from ¡Hadron ¡production ¡

Data ¡sets:

• Need ¡to ¡understand ¡the ¡ancestry ¡of ¡the ¡

neutrino

• Ancestry ¡3: ¡pàXà𝜉
• Ancestry ¡4: ¡pàXàYà 𝜉
• And ¡so ¡on
• Need ¡to ¡categorize ¡interactions ¡based ¡on ¡

coverage ¡by ¡hadron ¡production ¡ data ¡set

DUNE ¡neutrino ¡flux ¡at ¡ND ¡for ¡80 ¡ GeV proton ¡beam ¡reference ¡design ¡ as ¡a ¡function ¡of ¡ancestry ¡length (not ¡a ¡stacked ¡plot) Hadron ¡production ¡location ¡and ¡ coverage ¡by ¡ppfx reweighters

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1. Total ¡Hadron ¡Production ¡Interactions 2. Interactions ¡(excluding ¡8. ¡interactions) ¡ ¡not ¡covered ¡by ¡any ¡of ¡the ¡below ¡categories. 3. Pion ¡production ¡in ¡proton ¡Carbon ¡Interaction 4. Kaon production ¡in ¡proton ¡Carbon ¡Interaction 5. Pion ¡production ¡in ¡neutron ¡Carbon ¡Interaction 6. Nucleon ¡production ¡in ¡proton ¡Carbon ¡Interaction 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.

How Uncertainties are Categorized

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

How Uncertainties are Categorized

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

Hadron ¡Production

How Uncertainties are Categorized

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1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Attenuation

• When ¡a ¡particle ¡traverses ¡through ¡the ¡volume, ¡correction ¡is:
• 𝒅 𝒔 = ¡𝒇'

𝑶𝑩 𝝇(𝝉𝑬𝒃𝒖𝒃 ¡0 ¡𝝉𝑵𝑫) 𝑩

[1]

• When ¡an ¡interaction ¡happens ¡inside ¡a ¡volume:
• 𝒅 𝒔 = ¡ 𝝉𝑬𝒃𝒖𝒃

𝝉𝑵𝑫 𝒇'

𝑶𝑩 𝝇(𝝉𝑬𝒃𝒖𝒃 ¡0 ¡𝝉𝑵𝑫) 𝑩

[1]

• Here:
• C(r ¡) ¡is ¡the ¡central ¡value ¡correction
• 𝑂

5 ¡ is ¡the ¡number ¡of ¡atoms ¡with ¡atomic ¡number ¡A ¡seen ¡by ¡the ¡particle ¡

when ¡it ¡traverses ¡the ¡volume

Interactions Per Near Detector Neutrino

neutrino energy (GeV) 5 10 15 20 25 30 35 40 number of interactions 0.5 1 1.5 2 2.5

Entries 9565 Mean 18.14 Std Dev 11.35

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

• thers

total

neutrino energy (GeV) 5 10 15 20 25 30 35 40 number of interactions 0.5 1 1.5 2 2.5

Entries 7976 Mean 18.52 Std Dev 11.61

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

• thers

total

Reference: ¡120 ¡GeV Optimized: ¡120 ¡GeV

Beam/Parameters Reference Optimized Target 1 ¡meter ¡graphite 2 ¡meter ¡graphite Horns 2 ¡horn ¡(Numi Style) 3 ¡Horn ¡(Ideal, no ¡

• Eng. ¡Constraints)

Current 230 ¡kA 298 ¡kA Proton Energy 120 ¡GeV 120 ¡GeV

Number ¡of ¡interactions ¡per ¡near ¡detector ¡ neutrino ¡ covered ¡by ¡various ¡ppfx reweighters for ¡2 ¡different ¡beamline design

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Energy (GeV)

µ

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

Total HP

• thers

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

• ther abs.

Target Absorption

DUNE Reference Beam Fractional Uncertainty Energy (GeV)

µ

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

Total HP

• thers

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

• ther abs.

Target Absorption

DUNE Optimized Beam Fractional Uncertainty

Fractional Uncertainties

Reference 120 ¡GeV Optimized ¡ 120 ¡GeV

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18

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

Total HP

Reference Optimized

Total HP

• thers

• thers

Target Absorption

Target Absorption

nucloen-A

nucloen-A

meson inc.

meson inc.

Fractional Uncertainties

Summary

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• PPFX ¡was ¡successfully ¡adapted ¡for ¡the ¡DUNE ¡
• Overall ¡uncertainty ¡for ¡both ¡reference ¡and ¡optimized ¡design ¡is ¡below ¡

12% ¡in ¡the ¡region ¡of ¡interest.

• Deliverables
• Evaluated ¡apriori flux ¡uncertainties
• Flux ¡error ¡matrix ¡based ¡on ¡simulated ¡DUNE ¡flux ¡(Laura ¡Fields) ¡delivered ¡to ¡the ¡

Near ¡Detector ¡Task ¡Force

• Infrastructure ¡is ¡present ¡in ¡the ¡current ¡DUNE ¡beam ¡simulation ¡software ¡for ¡

future ¡apriori flux ¡evaluation ¡for ¡optimized ¡designs

Back Up Slides

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Thin Target Data Sets

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