The European Spallation Source Neutrino Super Beam for CP Violation - PowerPoint PPT Presentation

The European Spallation Source Neutrino Super Beam for CP Violation discovery Marcos DRACOS IPHC-IN2P3/CNRS Université de Strasbourg Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 1

European Spallation Source under construction phase (~1.85 B € facility) Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 2

Having access to a powerful proton beam… What can we do with: • 5 MW power proton decay tunnel beam • 2 GeV energy physics hadrons p ¡ π ν ⨂ B • 14 Hz repetition rate target π → µ + ν hadronic collector Detector (focusing) • 10 15 protons/pulse conven(onal ¡neutrino ¡(super) ¡beam ¡ • >2.7x10 23 protons/year Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 3

ESS ν SB neutrino energy distribution anti-neutrinos neutrinos at 100 km from almost pure the target and per ν µ beam year (in absence of oscillations) Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 4

Can we go to the 2 nd oscillation maximum using our proton beam? Yes, if we place our far detector at around 500 km from the neutrino source. (arXiv: hep-ex/0607026) MEMPHYS Cherenkov detector (MEgaton Mass PHYSics studied by LAGUNA) ¡ • Neutrino Oscillations (Super Beam, Beta Beam) • Proton decay • Astroparticles • Understand the gravitational collapsing: galactic SN ν • Supernovae "relics" • Solar Neutrinos • Atmospheric Neutrinos • 500 kt fiducial volume (~20xSuperK) • Readout: ~240k 8” PMTs • 30% optical coverage Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 5

Neutrino spectra below ν τ production 540 km (2 GeV) neutrinos anti-neutrinos δ CP =0 2 years 8 years Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 6

2nd Oscillation max. coverage 2 nd oscillation max. well covered by the ESS neutrino spectrum 1 st oscillation max. Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 7

Where to find all these protons? European Spallation Source Linac Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 8

ESS proton linac • The ESS will be a copious source of spallation neutrons • 5 MW average beam power • 125 MW peak power • 14 Hz repetition rate (2.86 ms pulse duration, 10 15 protons) • 2.0 GeV protons (up to 3.5 GeV with linac upgrades) • >2.7x10 23 p.o.t/year Linac ready by 2023 (full power and energy) Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 9

How to add a neutrino facility? • The neutron program must not be affected and if possible synergetic modifications • Linac modifications: double the rate (14 Hz → 28 Hz), from 4% duty cycle to 8%. • Accumulator (C~400 m) needed to compress to few µs the 2.86 ms proton pulses, affordable by the magnetic horn ( 350 kA , power consumption, Joule effect) • H - source (instead of protons) • space charge problems to be solved • ~300 MeV neutrinos neutrino flux at • Target station (studied in EURO ν ) 100 km (similar spectrum than for • Underground detector (studied in LAGUNA) EU FP7 EURO ν SPL SB) • Short pulses (~µs) will also allow DAR experiments (as those proposed for SNS) Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 10

Previous Expertise EUROν ¡ LAGUNA ¡ (2008-­‑2012) ¡ (2008-­‑2010) ¡ LAGUNA-­‑ ISS ¡ LBNO ¡ (2005-­‑2007) ¡ (2010-­‑2014) ¡ ESSνSB ¡ BENE ¡ SNS ¡(USA) ¡ (2004-­‑2008) ¡ Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 11

Mitigation of high power effects (4-Target/Horn system for EUROnu Super Beam) Packed bed canister in symmetrical transverse flow configuration (titanium alloy spheres) 4-target/horn system to mitigate the high proton beam power (4 MW) and rate (50 Hz) Helium ¡Flow ¡ target inside the horn Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 12

Energy Deposition from secondary particles, 3 horns, ESS ν SB -1.6 MW/EUROnu -1.3 MW target ¡Ti=65%d Ti ¡, ¡R Ti =1.5 ¡cm ¡ ¡ FLUKA ¡2014, ¡flair ¡ 21/12.4 ¡kW, ¡t=10 ¡mm ¡ 6.3/3.4 ¡kW, ¡ 2.8/1.6 ¡kW ¡ 2.4/1.7 ¡kW ¡ t=10 ¡mm ¡ 13.6/9.4 ¡kW ¡ P tg ¡ ¡= ¡ ¡ ¡212/104 ¡kW ¡ radial ¡profile ¡of ¡power ¡density ¡kW/cm 3 ¡ P h ¡ ¡ ¡= ¡ ¡ ¡ ¡52/32 ¡kW ¡ (N. ¡Vassilopoulos) ¡ Horn ¡max ¡ Ø large ¡increase ¡of ¡power ¡(~x2) ¡ deposited ¡on ¡target ¡@ ¡ESS ¡ Rio, August 2015 13 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA

General Layout of the target station Shield Blocks (copied from EUROnu) Horn Support Module Split Proton Beam Horns and Collimators Targets Decay Volume Neutrino (He, 4x4x25 m 3 ) Beam Direction Beam Dump 8 m concrete Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 14

PSU a ¡4x44 ¡kA ¡module ¡ Discharge big switch 120 μ F-12kV Capacitors bench +12kV -70kW x ¡8 ¡ Hybrid 2 Strip-lines charger TL Horn1 Charger thyristor TL Horn2 Charger diode TL Horn3 200mH 4 Big switches H1 H2 2mH Recovery 120 µ F H1: 350kA HORN 1 H3 diode H4 12.5Hz TL Horn4 Delay 20ms 12kV 1 Saturable 200mH 4 Big switches reactor H1 Recovery H2 2mH 120 µ F H2: 350kA HORN 2 H3 coil 2mH Charger coil 12.5Hz H4 200mH Delay 20ms 12kV 2 PSU: ¡8 ¡ ¡(mes ¡4x44 ¡kA ¡modules ¡ • 8 Modules of 4X44kA 200mH 4 Big switches 1-­‑charger/capacitor/coil, ¡4-­‑switches ¡per ¡ H1 • H3: 350kA HORN 3 H2 12.5Hz 2mH 120 µ F H3 Delay 20ms 4x44 ¡kA ¡module ¡ H4 12kV 7 8 ¡strip ¡lines ¡merged ¡into ¡4 ¡transmission ¡ • 4 Big switches 200mH Ltl: Rtl: Lhorn: Rhorn: H1 lines ¡in-­‑out/horn ¡ H2 0.109 µ H 0.42m Ω 0.9 µ H 0.235m Ω 2mH 120 µ F H3 H4 33m Transmission Line H4: 350kA HORN 4 Large ¡energy ¡recupera(on ¡ 8 • 12kV (8 striplines) 12.5Hz 8 Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 15

Proton Beam Switchyard Parameter EURO ν ESS ν SB Particle H - H - Proton kinetic energy (GeV) 4.5 2.5 Pulse intensity (mA) 40 62.5 Avg beam power (MW) 4 5 Beam rigidity (Tm) 17.85 11.02 • Update of the switchyard preliminarily designed for Macro-pulse length (linac) 2.86 0.715 (ms) EURO ν with ESS beam parameters (config.1) Pulse length (accu.) (µs) 1.5 1.5 Pulse repetition rate (Hz) 50 70 • Other possible layouts currently being studied (i.e config.2) • Selection criteria: number of magnetic elements needed + type of operation (i.e. simple or bi-polar) + prospective of beam dump requirements. Q4Q5Q6 Q1Q2 Q3 T4 T2 Q1Q2Q3 T1 p T1 z 2.5 GeV, 5 MW, z p 70 Hz 2.5 GeV, T2 5 MW, T3 70 Hz config2. T3 T4 config1. Primary Primary Colli- Dipoles Quads Dipoles Quads Targets Dipoles Quads Dump Collimators Targets beam beam mators Total length: 43.4 m Total length: 72.2 m Max. B-field: 0.65 T (25 kA turns / pole) Max. B-field: 0.73 T (29 kA turns / pole) Dipole length: 2 m Dipole length: 2 m Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 16

Proton Beam Switchyard • Assumptions: - Norm. trans. Emittances: 225 µm (99.7%) - Momentum dispersion: 0.1% rms. config1. Quadrupole Q1 Q2 Q3 ¡Field ¡gradient, ¡T/m 1.9 -­‑2.4 1.1 config2. Intensity, ¡NI ¡per ¡pole, ¡kA 30.8 39.0 17.8 Quadrupole Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 ¡Grad., ¡T/m 1.7 -­‑3.0 1.7 2.6 -­‑3.6 2.0 ¡Intensity, ¡NI ¡/ ¡pole, ¡kA 27.2 48.3 28.5 41.8 59.9 33.7 > IPAC’15 Proceedings: E. Bouquerel, “ Design Status of the ESSnuSB Switchyard ”, MOPWA017 Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 17

ESS ν SB layout (adopted from EUROnu Super Beam, inspired by J-PARC (T2K)) PSU ¡ ¡ ¡ e t e r c n ¡ o g n C i d n u Iron ¡(2.2 ¡m) ¡and ¡ o ¡ ) r m r u ¡ 8 s ( ¡ g n i d concrete ¡(3.7 ¡m) ¡ l e i h s shielding ¡ Beam ¡ ¡ ¡ dump ¡ l e n n u t ¡ ¡ ) y m a c ¡ 5 e 2 D ( ¡ l e s s e v ¡ e H ¡ e t e r c ¡ n g o n C i d n ¡ ) u m o r ¡ 8 r u ( ¡ s ) g 4-­‑targets/horns ¡ n i d l e i h s Vessel ¡(He) ¡ Switching ¡yard ¡to ¡four ¡ proton ¡beams ¡or ¡ ¡ EUROnu ¡ accumulator ¡rings ¡ arXiv:1212.0732 ¡ Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 18

Possible ¡Layout ¡ Avoid ¡sharper ¡bends ¡ Courtesy ¡T. ¡Ekelöf, ¡F. ¡Gerigk ¡ Rio, August 2015 M. Dracos IPHC/IN2P3-CNRS-UNISTRA 19