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 • Optimized ¡Beam • 1 ¡m ¡long ¡target • 2.37 ¡m ¡long ¡target • Numi like ¡horns • LBNO ¡style ¡horns ¡(2 ¡horns) • 80 ¡GeV and ¡1.2 ¡MW ¡proton ¡beam • 60 ¡GeV and ¡1.2 ¡MW ¡proton ¡beam 7

Total ν flux at near detector 12 − µ 10 × nu_flux_ancestry_7 Reference ¡Flux 2.5 Weighted Neutrino Flux flux at near detector for ancestry 3 ν µ Entries 9427776 ν flux at near detector for ancestry 4 Mean 3.053 µ Std Dev 1.59 ν flux at near detector for ancestry 5 How ¡to ¡interpret ¡the ¡legend: µ 2 flux at near detector for ancestry 6 ν µ 3. proton-­‑>X-­‑>neutrino (no ¡secondary ¡interaction) 1.5 4. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>neutrino (one ¡secondary ¡interaction) 1 5. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>Z-­‑>neutrino (two ¡secondary ¡interactions) 0.5 … 0 Significant ¡fraction ¡of ¡the ¡neutrino ¡ flux ¡below ¡ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Energy(GeV) ν 1.5 ¡GeV comes ¡from ¡secondary ¡interactions. ¡ More ¡Interactions à More ¡uncertainty 8

Total flux at near detector ν 12 − µ 10 × nu_flux_ancestry_7 Optimized ¡Flux 2.4 Weighted Neutrino Flux ν flux at near detector for ancestry 3 µ Entries 1.042433e+07 flux at near detector for ancestry 4 ν 2.2 Mean 2.954 µ flux at near detector for ancestry 5 ν Std Dev 1.546 How ¡to ¡interpret ¡the ¡legend: µ 2 ν flux at near detector for ancestry 6 µ 3. proton-­‑>X-­‑>neutrino 1.8 (no ¡secondary ¡interaction) 1.6 4. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>neutrino 1.4 (one ¡secondary ¡interaction) 1.2 5. ¡proton-­‑>X-­‑>Y-­‑>Z-­‑>neutrino 1 0.8 (two ¡secondary ¡interactions) 0.6 … 0.4 0.2 Significant ¡fraction ¡of ¡the ¡neutrino ¡ flux ¡below ¡ 1.5 ¡GeV comes ¡from ¡secondary ¡interactions. ¡ 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 More ¡Interactions à More ¡uncertainty Energy(GeV) 9 ν

h_in_vs_mat h_in_vs_mat incident particle Interaction ¡Map ¡for ¡Reference ¡design Entries Entries 41441 41441 Omega+ Mean x Mean x 0.6277 0.6277 Xi0_bar Mean y Mean y Incident ¡particles ¡per ¡near ¡detector ¡neutrino ¡ on ¡ 1.038 1.038 Sigma-_bar 0.0001 1 beamline materials ¡covered ¡excluding ¡the ¡thick ¡ Std Dev x 0.7643 Std Dev x 0.7643 Sigma+_bar 0.0002 target ¡data ¡coverage Std Dev y 1.536 Std Dev y 1.536 Xi- Xi0 0.8 Xi-_bar 0.0003 Sigma+ 0.0040 0.0003 Sigma- 0.0010 Lambda0_bar 0.0012 0.6 K_S0 0.0041 0.0004 antineutron 0.0018 0.0004 0.0001 K- 0.0015 0.0001 0.0001 0.0002 antiproton 0.4 0.0011 0.0001 K+ 0.0043 0.0010 0.0001 0.0003 K_L0 0.0034 0.0010 0.0003 0.0002 Lambda0 0.0089 0.0001 0.0002 0.2 pi+ 0.0903 0.0137 0.0041 0.0023 0.0012 0.0003 0.0020 0.0007 0.0005 neutron 0.0554 0.0048 0.0017 0.0003 0.0005 0.0013 0.0002 0.0006 pi- 0.0269 0.0025 0.0008 0.0002 0.0006 0.0001 0.0003 proton 1.1984 0.0102 0.0032 0.0020 0.0016 0.0020 0.0009 0.0011 0.0036 Carbon Aluminum Steel Beryllium Helium Concrete Water Titanium Air 10 material

h_in_vs_mat h_in_vs_mat incident particle Interaction ¡Map ¡for ¡Optimized ¡design Entries Entries 41746 41746 1.2 Xi0_bar Mean x Mean x 0.8605 0.8605 Xi-_bar Incident ¡particles ¡per ¡near ¡detector ¡neutrino ¡ on ¡ Mean y Mean y 0.9426 0.9426 Xi- beamline materials ¡covered ¡by ¡excluding ¡the ¡thick ¡ Std Dev x Std Dev x 1.29 1.29 1 Sigma-_bar 0.0002 target ¡data ¡coverage Std Dev y 1.376 Std Dev y 1.376 Sigma- 0.0003 Sigma+_bar 0.8 Xi0 0.0007 0.0005 Lambda0_bar 0.0004 Sigma+ 0.0012 0.0005 K_L0 0.0070 0.0003 0.0005 0.0004 0.0010 0.6 K- 0.0011 0.0003 antiproton 0.0004 0.0013 0.0002 K_S0 0.0055 0.0003 0.0003 0.4 antineutron 0.0017 0.0007 0.0003 K+ 0.0065 0.0023 0.0006 0.0002 0.0005 0.0005 Lambda0 0.0059 0.0002 0.0002 0.0003 pi- 0.0109 0.0051 0.0058 0.0006 0.0002 0.0004 0.0001 0.2 neutron 0.0821 0.0069 0.0093 0.0011 0.0001 0.0020 0.0007 0.0001 0.0010 pi+ 0.0630 0.0221 0.0003 0.0138 0.0030 0.0024 0.0129 0.0003 0.0006 0.0009 proton 1.2486 0.0103 0.0237 0.0045 0.0038 0.0093 0.0019 0.0064 0.0022 Argon Beryllium Carbon Aluminum Steel Water Air Titanium Concrete Helium 11 material

1 1. Total ¡Hadron ¡Production ¡Uncertainty 2. All ¡interactions ¡not ¡covered ¡below) ¡ ¡ 2 3. Pion ¡production ¡from ¡proton+Carbon Interactions 3 4. Kaon production ¡from ¡proton+Carbon Interactions 4 5. Pion ¡production ¡from ¡neutron+Carbon Interactions 5 6. Nucleon ¡production ¡from ¡proton+Carbon Interactions 7. Meson ¡incident ¡Interactions 6 8. Nucleon ¡Incident ¡interactions ¡not ¡covered ¡by ¡any ¡data 7 9. Absorption ¡outside ¡the ¡target 8 10. Absorption ¡inside ¡the ¡target 9 10 2 ¡contains ¡the ¡interactions ¡3,4,5,6,7,9 ¡ and ¡10 ¡category ¡ interactions ¡that ¡are ¡not ¡covered ¡by ¡thin ¡target ¡data. 12