UPTEC 7979 E NOV 1979 ABSOLUTKALIBRERING AV HALVLEDARDETEKTORER I NEUTRINOSTRALEN PA CERN

UPTEC 7979 E NOV 1979

ABSOLUTKALIBRERING AV HALVLEDARDETEKTORER I NEUTRINOSTRALEN PA CERN

CARL FRANS LETTENSTRÖM

A33OL"TKALI3R2RI1!G AV HALVLEDARDBT2KT0R2R I IIJITRIITO- STRÅL2E PA C.E.R.N.

2tt examensarbete av Carl Frans Lettenström

Teknikun,Uppsala Universitet

1979

Kucku»

Kucku.

Kucku»

ur 'Cdysseuc' av James Joyce

FÖRORD

Detta ar en redogörelse för ett examensarbete utfört under tiden april-augusti 1979 i bubbelkacmarneutrinogruppen på C.E.R.1T. i Geneve.

För ovärderlig hjälp tackar jag Per-Olof Kulth (handledare), Sergio Natal i, Bryan Pattison och Horst Vlachsrcuth. För "sub- sictance allowance" tackar js.£ Don Cur.dy, ledare för neutri- nogruppen, och för resestipendiun rektorn vid Uppsala Uni- versitet prof "artin E:son Ilolndahl.

Exaainator är prof Sven Kullandar vid Gustaf V.'err.ers Insti- tut.

Oktober 1979

IKIIEHALL

SIDA 1 REFERAT 1 2 I1IL2DKI1IG 2 3 ARBETET 3 3.1 K a l v l e d a r d e t e k t o r e r n a . . . 3 3 . 1 . 1 L a y o u t . . . 3 3*1*2 R e l a t i v a k a l i b r e r i n g e n 6 3*1*3 A b s o l u t a k a l i b r e r i n g e n 7 3*2 P r e l u d i u m t i l l a b s o l u t l c a l i b r e r i n g 7 3*3 Huvudf ö r f ä r a n d e • • 9 3*3*1 1'an g r i p e r en l c ä r n e r u l s i o n * 9 3*3.2 Lian scaruiar e m u l s i o n e n . . . 9 3 . 3 . 3 ä e s c a n . . . 12 3*3*4 S c a n n i n g e f f e k t i v i t e t e n * 12 3 *3 »5 I l o o r d i r . a t e r n a . . . 13 3*3*6 llonte C a r l o a n p a s s n i n s . . . 13 3*4 R e s u l t a t 20 3*4*1 Känsligheten . . . 20 3*4*2 Felkällor 21 4 RE?3IiE2;S2R 22 5 AFFznnx 24 5*1 A s p e r . d i x A ( A l l m ä n t 0 2 n e u t r i r t O e Ä p e r i a e n t ) . . . . 2 4 3 * 1 . 1 l l e u t r i n o k ä l l o r 2 4 . , 1 , 2 S r u r . d d r a g 2 4 5 . 1 . 3 "V/ide b a n d " - n e u t r i n o k ä l l o r . . . 2 5 5 . 1 . 4 " H a r r o w b a n d " - n e u t r i n o s t r å l a r . . . 2 9 5 * 1 * 5 " 5 e a n d u n p " - n e u t r i n o s t r å l a r . . . 3 0 5 . 2 A p p e n d i x 3 (BBBC) 3 0 5*3 Appendix C (Experiment '.VA 52) * 33 5.3.1 3akgrund . . . 33 5.3.2 7/A 52 33 5*3*3 Recent data on prompt single lepton produc-

tion in hadron-nucleus collisions . . . * , 34 5*4 Apnendix I> CPro/tran för vinkel fördelning) * * * * 45 5*5 Appendix S (Fr&itkallnin.-sprocedur för kärnenulsior.) 61 5,6 Appendix ? (Sr.ulsionsscannare framför sitt instru-

nentl . . . . . . 62

1 EE7SPJLT

Arbetet beskriver «n enkel aetod för kalibrering av halvle- dardetektorer i antal oyoner per pC.

Genon att exponera en fotografisk plåt (kärner.ulsion) vinkel- rätt mot en stråle laddade partiklar (nyoner) får man en aäagd spår "avfotograferade". Emulsionen exponeras precis framför de halvledardetektorer san vill kalibr*: »• •

'jonerna färdas genoa ett tjockt jämlaffer i samband ned att de ska stoppas för att skapa en ren neutrinostråle och sprider där elektroner gsnon elektromagnetisk påverkan (deltaelektro- ner). Dessa elektroner ger ockc& spur i emulsionen*

Under ett mikroskop kan ff.an sedan räkna och näts. varje enskilt partikelspår och genera att vinkelfördela dessa kan ny oner och deltaelektroner särskiljas (cS de senare i senonsnitt har re isnuls)* Kvar olir antalet myoner per ytenhet.

Genon att relatera detta flöde till detelctoreraas signaler

f.is antal nyonsr per pC och alltsi en rbsolutkalibrering.

2 IKLSUSIXG

I CEREts stora accelerator (sup^rprotonsynkrotronen) accele- reras protoner upp till energin 400 SeT. En del av dessa pro- toner extraheras för att producera neutrinos» De fås då att träffa ett strålmål där en cängd starkt växelverkande partik- lax, sk hadroner, produceras.

Beroende på vilken sorts neutrincstråle man eftersträvar (Ap- pendix A> utväljs sedan dessa sekundära hadroner map tecken och impuls och får passera genom en tunnel där de börjar sön- derfalla till bla nyoner och neutrinos.

För att stoppa de återstående h&dronema och de bildade myo- nerna liter man sedan strålen passera 200 a järn och 200 n jord och kan då känna sig förvissad on att ha nästan enbart neutrinos kvar. Reaktioner r.ellan dessa neutrinos och neon- c-ller vätekärr-or detekteras i sn stor I.ubbelkanaare (BE3C, se Appendix 3) och i två stora elektroniska detekterar sed järn respektive ^arnior son neutririO&bsorbatorer.

TTalvladardetektorerna soa kalibreras sitter -nonteraie i fickor

?*. olika avstånd i den 20C n lån-ja jiirrjr.assan efter sönderfalls- tunneln. De anväiids för att mäta antalet iryor.er son funktion av inträngr.ingiiäj'.ipet i järnet och avvikelse frår. -trilens cen- tnai.

Låt oss alltså börja.

3 ARSZTST

Först presentsras halvledardetektorerna och den relativa kalibreringen. Sedan absolutkalibreringen och huvudförfa- randet vid analys. Slutligen presenteras slutresultatet och eventuella felkällor.

3.1 Halvledardotektorerna 3.1.1 Layout

I!yonflödet i järnet efter sönderfallstur.neln näts i 6 fi- ckor (fig 5*1 numrerade 1-6) efter respektive 9.21, 29.64, 49.66, 70.09, 94.12 och 118.55 meter järn r.ed hjälp av ki- selhalvl edardetektorer. Detektorema sitter monterade po.

en rörlig upphängr.ing i strålen (se fig 3«1) så att inten- sitets-, profil- och energi spektrum hos niyonerna och där- med indirekt neutrinema fås. I varje ficka är sju detek- torer monterade på en stödskiva längs en radie med 15 cm intervall och åtta detektorer på en cirkel. Se fig 3*2.

Fem detektorer i en rörlig låda används vid relativ kali- creri:;g och kartläggning av flödet i detalj. Alla rörelser (ned precision av 0.3 nn) är C;j.!AS-':ontrollerade» Ytterli- gare ietektorer kan läggas till, aaxirsalt 40 per ficka r.ot- svaruide ie 43 moduler son är kopplade till en CAYAC-kor.- tTcllr.odul ?J.'3.4O. Pifterson dö underjordiska detekt3rh£lrur.- r.en (fickorna i järnet) inte är tillgängliga under körning och strilningsnivån är relativt hög är alla förstärkare pla- cerade direkt i CAHAC-lador i en elektronikbarrack nära h&l- runmen. Speciella l&gbruskablar envänds för att sända detek- torsignalerna över ett avstånd av 50-100 n till förstärka- ren. 2tt snitt syns i fig 3»3» ^et halvledande polyetylen- okiktet minskar bruset från kabelrörelser och strålningsin- ducerad jonisation med en faktor 100» Slutligen skrivs data på magnetband i en NEW (Neutrino Flux Monitoring) WORD-dator.

Anledningen till att just kiseldetektorer valdes för flödes- mätningen är deras lilla och stabila volyn, låga "bia3

-spän- ning och lätthanterlighet.

C) Zr. förbindelse för datorstyrning av och nottagning av data

från r/itinstrunent.

MOVEMENTS OF DETECTOR-SUPPORT PLATE AND CALIBRATION BOX.

SCALE : I: 18

2220 mm

| \0ETECTORJ>UPPORT PLANE /

CONCRETE IRON DISC

i 326 - i

CALIBRATION-BOX GARAGE

ACCES TUNNEL

Movements of detector-plane and calibracion box. The place is shown both in the wide- band position

and in the limit right-up position The area covered by the calibration box is indicated

N.B. is the actual narrow band beam position in pit V2.

Fig. 3.1

1.0W-N0ISE CABLE CONSTRUCTION

PVC JACKET t TAL M A I D SCREEN

CONPUCTOR

CABLE OUIDE POLYETHYLENE INSULATION

SCMICONDUCTINS LAYER

Cross section of special lev noise cable

32

boooo

4 6 45 44 43 42

)ooooq

^i OS 0 4 OS 06

Fig. 3^..Detector Support_Plate

3.1.2 Itelativa kaUteeringea

Salibreringea av detektoreraa tygger pi jämförelse med ea saaliag av fern detektorer i ca rörlig låda. ULdaa placeras så samlingen fir i linje (±0.5 on) s*d ietektorn s m ska libreras. Dttektortrna i lådan täcker tillsammans hela desområdet med områden S O B överlappar så att te

ras inbördes också» Signaler T (Telt) fria at

tor z jämförs m«d signalerna fria kalibreringsdetektorn y i

T_ •

dar S

« kiaslifiaetsa hos detektor i kanal x (myoner/ea ,pC)

C m förstärkning i kanal x

0 - "offset"-s?aaning i kanal x (7) Ztt stort antal detcktorsigKalcr 7 och 7 sträckande sig över ett flödesområde miastakvadrata&passas till den linjä- ra relationen

V - C*V_ • D

Se fiff 3*4* C= känsligheten och

offset

-s?änningen hos 4e- tektoxn i kanal y (i kalibreringslådan) är kända kan S

fås ur

S och 0 - D + C*0

Senna nttod med relativ kalibreriag ar möjlig taelc var* den

höga oyonenergia och det låga antalet stoppad* ayoner i ett

tunnt materialskikt. Resultat från en detektor med hög oak-

grundosignal visas i fig 3*5*

i k-

o c

c 2 : • s « ? » » c CtT'CTOf OUT»UT S*H«L(V)OtT SJ5

Fi

3»4

Least squares fit of detector signals

i •

Ifl

i s

t t 4 J « T « » 10 3UTfyT «lCriit(VI OCT Stl

5 3 • 5 "^{t o i s v} <ä««cwr

3

1»3 Absoluta kalibreringen

Kalibreringen av detektorema i kalibreringslådan göra genon exponering av en kärnenulsion (ilford G5) placerad vinkelrätt not strålen i lådan under några få pulser så att antalet nyo- nor inte överskrider 5*10 /cm . Uyonspåren i emulsionen kan därefter räknas under ett mikroskop och relateras till den re- gistrerade detektorsigr.alon# Speciell hänsyn naste tas till sekundära elektroner (o-elektroner) som syr.s som spår i emul- sionen och ock3å bidrar till signalen. I "scialtands"-3tr&lar (appendix A) kan dessa (f-elektroner räknas separat ?sa deras stora vinkelawikelse från den klart synliga nyonrilctningen»

Annars kan man anpassa ett Lionte Carloprograa för att subtra- hera tort «f-elektronerna.

3.2 Preludium till absolutkalibrering

I i De första två nånaderna scannade författaren en emulsion i gap

2 och hade c*a 3000 spår klara att analysera i ett program (ap-

pendix D ) . Genon att veta varje enskilt spårs koordinater där

det inträder i och där det lämnar emulsionen samt emulsionens

tjocklek är det möjligt att räkna ut vinkelfördelningen för det

totala antalet «pår« Resultatet av analysen gav en fördelning

som var mycket mer utslätad än det teoretiska (där nästan alla

ayoner är innanför 17 mr relativt myonriktningen och resten

alltså deltaelektroner) så det var omöjligt att aäga var myoner-

na började och ^-elektronerna, tog vid* Se fig 3*6» Det antogs

att det var något kemiskt fel på emulsionen tills det kröp fram

att den hade suttit felaktigt monterad (75 era från centrunl)»

8

3610

- 2J0 Om 15»

i f *

t

•

r

i

i

1

\

r

l r W Ä d

DN • D COS(PHI) EI1ULID.

EMULSION MEASUREMENTS TO CALIBRATE NTM S5P

Pig l»S Vinkelfördelningen från en felaktigt nonterad

kärnemulgion i g^p 2*

Preliminära analyser av en kärnemulsion i gap 4 (scannad av prof Natali och hans student Iiselli) och en kärnecrclsion i gap 3 (scannad av mig själv) visade bättre vinkelfördelning- ar» Jag övergick alltså till dessa för vidare analys*

3»3 Huvudförfarande

3»3»1 'lan griper en kärnemulsion

I vårt fall Ilford G5» Den kemiska sammansättningen fremgår av tabell 3*1* Sen genomsnittliga korndiametern är 0.18yum.

TASLEJ.1

Element H C N O Ur Ag

g e m - » 0-040 0 30 0-073 0-20 0 0 1 1 1-406 2-023 0-057

2 0 3 1-51 0 31 0-76 0-02 1 1 5 1 1 7 0-03 cm***

Mean demity 3-9 g em-*

Han kontrollerar att den har vederbörligen exponerats fram- för kalibrerir.gsboxen (och rätt placerad i strålen), att an- talet spår inte är alltför stort per fält (1-5 pulser räcker

— de m&3te gå att räkna praktiskt) och att den inte har ut- satts för någon "obehörig" strftlningskälla pfi väg till fram- kallningen (vilket syns på tjocka protonep&r som g3r det o- nöjligt att avläsa de tunnare njron- och elektronspåren)» (Vil- ket inom parentes hände ned den emulsion son exponerades un- der experiment V.7. 52» Dom jag använde var 'wide band*-expone- ringar»)

3»3»2 !.!an scannar emulsionen

Den rätt exponerade och framkallade emulsionen placeras under

ett mikroskop» Här vidtar det tråkiga grovarbetet» Man defini-

erar en startruta och genom att projicera mikroskopbilden på

Z) I det följande används ordet "scan" för att beteckna hela

granskningsproceduren.

10

ett pappersark kan nan börja rita. Ett sådant ifyllt ark i fig 3»7« Genom att vrida på fininställningsratten kan nan följa spå- ren i emulsionen ock närka ut var de inträder och var de utträ- der* Dessutom cäter nan tjockleken ar emulsionen genom att se hur sånga mikrometer man kan sänka okularet tills spåren upphör»

Här man har ritat in alla spår i en ruta och dessutom markerat något grovt eller särpräglat korn som igenkänningsoärke flyttar nan emulsionen ett litet stycke åt sidan si. att den första ru-

tans ena sida blir en sida i den nya rutan. När man har täckt ett antal rutor i en lång rad återvänder vi till den ursprungli- ga rutan och flyttar ett steg uppåt. Scannar sedan ytterligare en rad och så vidare tills erfordlig statistik Ir uppnådd. Se fig 3.8. Scanningen av varje enskild ruta tog för 3ig csa 15-20 nin. Efter några tianar tycks omvärlden garanterat prickig.

1 25

2.

26

SO

3 2?

4 28

S G 30

etc.

? 31

Figur 3.8 Exempel på täckning av ytor i en emulsion.

Han räknar spåren i ruta 1, flyttar sedan emulsionen och räknar alla spåren i ruta 2 etc. I mikroskopets synfält framträder ba- ra en .-uta i taget.

Figur 3.7 Ii/lld ruta i emulsion V3.0.VA (gap 3 ) . Ringen kring

varje spår markerar var det börjar (var partikeln träng-

de In i emulsionen). Ett spår är ettiketerat 'delta

.

let innebär att det syntes i mikroskopet att det var en

deltaelektron* En stor kornsvärtning syns i nedre delen

av bilden (igenkänningsmärke). Spåren är numrerade och

deras koordinater är nätta och uppskrivna. V. J»V

Vl.O.VA FL

12

3»3»3 Kescan

2fter en tid tas emulsionen fram igen och startrutan letas upp.

Så scannas alla eller en del av rutorna igen på nya tonma for- mulär. Resultatet janförs ned den första scanningen. Då är det

dags för:

3.5.4 Scanningeffektiviteten

För att räkna ut effektiviteten för varje enskild scan och för summan av båda definierar vi följande kvantiteter:

1) Cberverade

IT.- antal spår funna i första scanningen 11 •= antal spår funna i andra rcanningen ir_» antal epår funna totalt

:c« antal spår missade i första nen funna • andra scan- r.ir.gen

y= antal 3pår cissade i andra nen funna i första 2) Uträknade

!T= rerkligt s.ntal spår i den ±canr.?Ae deler. av enulsior.ei e.- effektiviteten av första soanningen

e.« effektiviteten av andra 3canningen e» den total» effektiviteten

Figur 3»9 H« åskådliggjord

I.'an h a r d å :

V e

U ly e

H

X- ( 1-e1 ) :i2 y- ( 1-e

där:

•r ¹ " ^ V

T.ex. för emulsionen i gap 4 gäller följande: I scan 1 blev sum- man av de funna spåren 661» I scan 2 C«eccan) blev not3varande

sunna 660. Unionen av analyserna (!T ) ger 681 olika spår.

Alltså»

e» - i f p j — I * 99.904 ;' ur x= i:,-!:, och y- B -IT

Sfterson alla spår funna i scar. 2 ock3i inkluderades i analysen (genoa ändringar i formulären för scan 1) blev scanningeffelcti- viteten hela 99*9 ,•'• teoretiskt förlorade vi alltså ninAre än ett spA

3.3.5 Koordinaterna

Soa fig 3.7 antyder ska alla koordinater för varje enskilt spår (in- och utträde) registreras. Via kort eller direkt på bild- skäro matas dessa data in i programmet (appendix D) och soa slut- produkt får vi en förhoppningsvis vacker vinkelfördelning. Vin- kelfördelningarna för emul '.onerna i gap 3 och gap 4 i figurerna 3.10 och 3.11.

3*3*6 Llonte Carloanpassning

Ltyonerna som kocjser susande genoa järnakämningen och våra kära

gap 3 och 4 har en energi på omkring 28 CeV, Fördelningen av del-

taelektroner från dessa ges av ett l.'.onte Carloprogram och kan a v

H

et.

»• m

w

MX

m

s

t» • t

I M H

MTt«iT4it tt

t i.

• MVMMMStWyWuMMViWMMl

M l t • I

Mftft ll_44t t l t t t l l U M ttt I tt t .

S 4 I • TU M < t t,w t l

tuts , tt I t

t t iMitttim ut t tt t ttttt tt t t

• •

Pig 3.10 Vinkelfördelningen av emulsionen i gap 5.

0 betecknar vinkeln aellan en rayon/delta-

elektron och franåtriktningen»

AANTAL

Lé>-€

{"Rut*

IN / » CWIPNI)

CMJMMC wit • »

$

i t >

ii

!J

»7

XX

n m n

» w nn

CMMCU m

UMTCNTf

ptfj* jBt_ 11 ittjifiMi i^u M_. tat» », i i it_ t i

na • 1 utitttt4i t tt w turn ti 11 11 t

?xg 3»11 Vinhelfördelniiig av emulsionen i gap 4*

© betecknar vinkeln nellan en myon/delta-

elektron och franåtriktningen.

16 njutas i fig 3.12. On nan nornerar denna fördelning till våra

två fördelningar från gapen 3 och 4 fås figurerna 3»13 och 3.14» För att förbättra identifikationen av långa spår genon- fördes en tredje scan där vi koncentrerade oss enbart på lån- ja spår. På så sätt säkrade vi svansarna i figurerna 3*10 och 3.11 och det gick lättare att anpassa 3»12 till dessa. Ur fig 3.13 och 3*14 fås (genom att subtrahera bort 1'onte Carloelek- tronerna) absoluta antalet nyoner i våra scanningar. Antalet myoner per ytenhet lås enkelt. !.'ed nikroceter nättes en en- hetsyta (sådan son är avscannad i fig 3»7) i mikroskopet till

(75/wO • Antalet scann&de enhetsytor är 25 i gap 3 och 23 i gap 4« 5*8r gap 3 har vi alltså: Totalyta» 75*75*25 Ma • 0.14

o *

na • Antalet myoner är 527 (ur fig 3»13) •

ty

Allt3å: A459 myoner/nm i gap 3»

För gap 4 får vi på sanna sätt: Totalyta» 0.13 nun . 604 myoner (ur fig 3.14).

Allteåi »669 rayoner/mn' i gap 4»

Dessutom f/ls att totala antalet spår/ar.talet nyoner är 754/627 •

= 1.2 (dvs er. myon per 1/5 takgrond) i »:ap 3 och 745/604 • 1,2 i

jap 4 också.

17

18

- 0.

10

— 10

I

i ! ; i 11" j i i iTiTTTiTTII

r j n - •• -—.—-*••••- '••-:' •• •»— *- -;— • • - - I - -1— I "• ; 3?

i I

0 to

33

to

( •

r

300

»10 300

'00 -

w _„._..:.„:__!_„

- T - - : 1

i»--1 t?

•f.-.-:"::t:.:T-:-T"!:" i

. t . . . . : . . . . ( :

: « a.

i -° *=

I!"

J ^{I _}

I . ^ , i ' • _ „ t . _ _ ! . . . _ : _ _ _ ! _L • ;

~~-t- *-•( -s

: i . •:;:.: i :

T-~

• i - : . . • . . ! : . • :

i - i^':.••,. : [ : : : • ; ; . : . i . :;

. i : : • ; . : .

mh

iö iö mim-'

;|;_i:X-l_.L

L _ | ::. :;••-•• :. j ; . . . : . . • : : • : . ; ; ; :^ . ' - - ' _ l _ J - • ! _ • V J £

C w M>

19

T • I , T ' " * ; —! 1

j4r:"iK"--i:-!v":":i:-"-:.:).;::;i::-;.--:--.j:;;;;-"i

:; .: j

'i • ' • • • • l •••' ••'

*;

e«^4;

Wöö}

J j i

20

3-4

3*4.1 Känsligheten Ur forneln

K « 10^{,-2 C-P} s +

där K« en halvledardetektors känslighet (nyoner/pC) 3« detektorkonstant

?m cyonflödet genoo detektom (myoner/mn ) s« detektorsignalen (nV)

0« "offset"-3pännir.gen (mV)

fås kän3liehetema hos halvledardetektorema.

7öljande gäller i gat: 51

(ayoner/pC) 52,7

5213 I27S

151

Detektcr

304 341 561

G 16

£4 64 16

s

8,636

2.35;

2.271

7.992

0 (aV) -C.0C5

0 -c.03£

-c.011

353 16 4.459 -0.19

Och följande i gac 4t

Detektor

312

364 396

C

4

2

4

1

2

9

s

(»v)

.305 .745

•535 0

0.002 -0.001

0

K

(myoner/pc) U 3

54.0 19.6

Afccolutkalibreringen är därmed avslutad så när S O B påt

21

f ;

j ' 3.4.2 Felkällor

i I Han hoppas att följande fel tar ut varandra. (Det gör de natur-

* ligtvis inte.)

v 1) Emulsionen krymper under framkallningen frän tjock- V leken 200 (ca. till omkring 80 ^ n . Detta resulterar i

distorsion ar spåren*

2) Långa spår i emulsionen nissas eftersom de är nyeket längre än enhetsrutan» Kan ha betydelse för anpass- ningen av Uonte Carlodeltaelektronerna»

3) Vi göz en rak extrapolation mellan det första kornet och det sista i varje spår»

4) Upplösningen i emulsion V30VA är något sämre än i V400. I den förra är alltså felen större.

Uppskattningsvis är felet på antalet siyoner/nre oakring 3^»

Sfterson felst i signalerna är mycket nindre blir felet i käns-

ligheten också et a 5p.

22

4 KSF2EEITC2E

U AI.IALDI, ADVANCES HI SEMILEPTOKIC 1TEUTPJU, CURRENTS, CER1T-EP/

7 9 - 8 4 , 25 JULY 1 9 7 9 .

KYTJ BAIiTHAlI & IIS CRAIGI2, THE PARENT-CHILD EELATIOIISEIP F03 PROI.IPT L2PT0KS AITD ITSUTRIITOS FRODUCED IS THE FOR- WARD DIRECTIC1T, I C / E E K P / 7 8 / 2 4 .

J 3LIETSCHAU e t a lt EXAMPLES 0 ? PRODUCTION OF CHARMED M2S01T3 lU NEUTRHIO-HYDROCSTI - J I T H A S — £ i IS BEBC, CERN/SP 7 9 - , 27 APRIL 1 9 7 9 .

J 3LI3TSCHAU e t a l , 3XAIIPLZ3 0 ? PRODUCTIOE OP CHAHTffiD i f * 1.3- S0IT3 A ! I J A BLUIIOIIS III ITEUTF.IIIO-EYDROGSI! I1I7ERAC-

c

TIOHS III 3S3C, CSPJI/EP 79-» 2 ".AY 1 9 7 9 .

PC 303BTTI e t a l , OBSERVATION OF PROI.IPT 1TZUTRIII0S ?30E 400

5eV PR0T0::-EUCLEU3 CCLLISI0K3, PHYSICS L^TIRS 743,

27 I.IAHCH 1 9 7 8 , s . 1 4 5 - 1 4 7 .

PC 30SSTTI e t a l , PROPOSAL POR AB 2XTSK3I0:; 0 ? THE P.ir.IITIHG OF TIE BE3C 23AII DX:P EXPERILEET 7/A 2 0 , CERN/3PSC/73- 59, SPSC/P 106, 17 ;.:AY 1978.

G CAVALLARI et a l , 30LI2 STATE LZTSCT0R3 73JD FOK THE :EPj:

"SUTP.IKO PLUX I.

01;ITO?.I1TG (lIPI.:), "UCLEAR SCIENCE

1

!.: SAii ??x:cizco,

19-21 1977.

Ts

1978, cm:: 197s.

SXPZrXUKTS A? CERi: 1979, C3PJI 1 9 7 9 .

:-I:.'. HEIXJE, SOLID STATE DETECTORS USED III TIE HEUTRI1I0 FLTTX :,:O::ITOPJ::G ( I I J I : ) , CERB/EP/BS/J: 77-1» 25 FEBRUARY

1977.

G ::YATT * H V;ACHSI.IUTH, I5K0RAITDUU, CERII/SPSC/78-94, SPSC/?I

129, 7 AUGUST 1978.

JC PATI & A SALAK, I S 3ARY0K OTKB3R CONSERVED?, PHYSICAL R 3 - VIEV; LETTERS 3 1 , 3 SEPTEMBER 1 9 7 3 , s . 6 6 1 - 6 6 4 . JC PATI i A SALAK, L2PT01I ITUMBSR AS TES FOURTH "COLOR", PHY-

SICAL REVI37/ D10, 1 JULY 1 9 7 4 , s . 2 7 5 - 2 8 9 .

i: PATY , ETUDES D» Il'TEIUiCTIOITS DE irSUTRIIICS DS ÖRAHDE STERGIS DANS UNE CHAL'BSE A BULLES A LIQUIDS LOURD, CESS 6 5 - 12, 5 AVRIL 1 9 6 5 .

—I

PROCEEDINGS OP THE 1974 53RH SCHOOL OP PHYSICS, CBRIT 7 4 - 2 2 , 30 OCTOEER 1 9 7 4 .

PROCEEDINGS OP THE 1975 JIXR-C3R1T SCHOOL OF PHYSICS, 3 2 - 9 0 8 6 , DTJ31IA 1 9 7 5 .

PR0CE3DI1IGS OF THE 1976 CERII SCHOOL OP PHYSICS, CERH 7 6 - 2 0 , 8 33CEBBE 1 9 7 6 .

PROCEEDINGS OP THE 1977 CSRII-JETR SCHOOL OP PHYSICS, CEKT 7 7 - 1 8 , 20 OCTOBZR 1 9 7 7 .

PROCSEDIITGS OP THE 1 9 7 8 C3RH SCHOOL OP PHYSICS, CERH 7 8 - 1 0 , 2 IIOVEL:B3R 1978.

S SEGRS (ED.)F EXPSRHIETTAL HUCLSAR PHYSICS I , VTILEY 1 9 5 3 . TRSILLE , FÖRBLÄSITIIIGSAIITECKNIIIGÅR CERII 9 AUGUSTI 1 9 7 9 . H ..'ACHSKBTE, PHYSICS CP JISUTRIJTO BEAMS, C ^ H I I / E P / P E Y S 77-431

30 AUGUST, 1 9 7 7 .

H \7ÅCHS*:TJTE, 400 GeT PROTOIT-IIIOTCSD PP.OITT "ZUTRIUOS AT 0 AID 15 MILLIRADIA1T, C2R!l/5P/?HYS 7 8 - 2 9 , 7 AUGUST 1 9 7 8 . H 7ACH3?.!TJTH, •S'ORAITDl1".:, CER!vr/EP/:TC-^!5 73-131 22 ::O\r2:,I3ER

23

•.VILBUR TUTORIAL, C S R 1 : / D D / U S / 2 4 .

AFPEHDIX

24

5.1 Appendix A (Allnänt oa neutrinoexperinent) 5 . * • 1 Neutrinokallor

Huvudkällor för högenergetiska neutrinos är sönderfallen

Vi noterar att de är källor för nyonneutrinos och att alla är tvSkropparsönderfall. Dom producerar därför flata neutri- nospektra ned energier »— ^

0 < |- ^y < 1 -

Tier. hv.vuds£.':liga 'bakjrur.den t i l l 0T)s!-tra.-> 'i.r derf&llet

K -> TT

och Ur några fl procent* De huru-isal:lig& '.'"lloma till är sör.d3rfallen

och är också några få procent* Andra källor är

Z -> Ae"v

/ \

5*1*2 Srunddrag

Degens neutrinostråltransportsystem består alltänt av följan-

de ceståndsdelarj

25

1) Protoner från en accelerator träffar en target och producerar sekundära hadroner.

2) Dessa utväljs n.a.p. tecken och inpuls genon nå»

gon sorts fokuseringsanordning.

5) De passerar genon ett sönderfallsosiråde»

A) lie går in i en massiv skäraning S O B absorberar de återstående hadronerna och de myoner som har producerats» Den nödvändiga skärmningslängden är grovt sett E»/2 (GeV) ne ter järn eller ekvivalent.

5) I."onitoranordning&r son medger utvärdering av neu- trinemas spektrum och absoluta flöde*

I fig 5.1 visas motsvarande delar på C3ElT«s SPS (Super Proton Sy-ichrotron) neutrinostråle.

5.1.3 "'Viie band"-neutrinostrålar

Det fokuserande elementet i dessa strålar är en akroaatisk an- ordning soz t.ex. 7an der T.'eers magnetiska horn (fig 5»2). Sn st&rk pulsad strön som färdas nedför en ?mal inre ledare och återvänder i en yttre ledare av större diameter åstadkonraer ett toroidalt ne.gnetfält soa har en fokuserande effekt på hadroner av en laddning och defokuserande på. åe av motsatt laddning. Ten haironproducerande targeton sitter omedelbart framför hornet.

"".Vide bani^-neutrinospektra har följande eger.sksper:

1} lie avtar grovt sett exponentiellt ned energin. In högenergi3var.s boror på kaonproducerade neutrinos.

Den genomsnittliga V-energin är bara en tiondel av p ro tonene rgin.

2) Eftersom produktion av positiva hadroner vid hög energi är intensivare än produktion av negativa hadroner är neutrinostrålar intensivare än anti- neutrinostrålar. Vid hög energi är det en faktor av storleksordningen 10.

3) Av sanaa skäl är neutrinobakgrunden i antineutri- nostrålar högre än 1 det omvända fallet»

4) P.g.a. det snabba flödesfallet med ökande energi är noggrann "monitoring" behäftad med svårigheter*

På CEHlf mäts det absoluta antalet myoner 3on funk-

tion av inträngningedjup och avvikelse från str-V

lens centrum i järnskärsiningen* Se avsnittet on

O IOM

QUARK St ARCH

C GM C Ml

I J,

-1)1.12

S.1 CORN'S

»il 5". lays»* of "«»« *ro* ..'eutrino Facility Uistancu» in ^«:*n fr=c center ot" ?S8 tar.jet T ? )

r.eutrino eaye

len-ith

124.52

jue-aection be.jin l4ngth Uaceter

t^r^et «3B ? 9 -l.0>

•. ir;?et DBS T 11 .05

decsy tunnel 259.81

iron shield 185.

until 1979 fre» 1979

2.1 U i CM

(11 z .1)2: > ss 5: 10 cs .9 1: 2 at (5 x .1) 2: 2 EX

3: 10 EB

aucatinec

71*

Al 3 e So Al Be

sass of section -•-3.3 296.9

9» sifftreot

i.srn .BB po» A .'.7 jos B 10.S rtfltctor <BB A Sl.i jo» B 69.9 cntraaca wiaaow 124.>2

iteay tonml 1 124.32

l 2 155.74 6.5

6.5 .002

halroa stopper lero position: 127.82 end position 395.36 exit «indo» 414.13 c&loriseter exve shield

pit 1

inticalorir»t»r shield

;it 2

"earth" shield 225.0}

fro» 1979 fras 1979 until 1)79

BESC

Fit 3 shield pit 4 shield Fit •, shield toroid j i t 6 :hield

jit 7

shield s;see building Fit 8 thleld

414.15 417.94

427.1?

429.64 450.34 451.34 471.49 472.54 493.11 494.04

3.

3.

.005

J.si 9.25

20.52 .56 20.15 1.05 20.57 .9}

24.2)

519.29 24.55

543.S4 544.94 570.14 572.06 598.64 598.94

642.41

crth-shield £42.41

»irth-shiild 678.41 6uililn« E 2 791.91

1.10 25.28 1.84 26.56

44.

36.2

36.2 103.3

eent»r 021.97 counter

51.15

h.-irOL7»n

* 1 7k 18 '/}'.' buililn/;

center 53" ^30.03

1.2 x Ti 2.7 concrete 2.2 racttUB vaeuua v»ll S E B Fe 5 Torr

1.2 vaeuuB 5 Torr i»Xl 5 KB Fe

special fore steel 0.7.£

1*2 steel 7.8 2.7 iir.S35(

2.7 concrete

2.5 iron iron p»7.25 23 dites 2.7

6670. 6670.

etc.

iron^CBpensates boles around caleriseter 51 aiaes 14790. 2U60.

;0 discs

51 discs

60 discs

ol iiscs

65 discs

»ir 66 »isca air

14500.

14790.

17400.

17690.

18270.

19140.

559SO.

50750.

68150.

85840.

1C4110.

123250.

4 x 4.5 a blocks iron holes « compensation

sonorete,air

28

4»

cj tr.a

CJ

AV

o

•3

43

O

O

•P

I

O

uc x)

§

CM

U

•H

29

halvledardetektorer. Ilyonfördelningen medger en rekonstruktion av kaon- och pionspektra och från dessa kan neutrinoflödet beräknas*

Se fig 5»5 för ett "wide tand"-spektra.

5.1.4 "Harrow bar.d"-neutrinostrålar

I den här strlltypen formas först en icpulsvald stråle. Ben påainner on vanliga sekundära strålar nen speciellt arbete är nödvändigt för att begränsa antalet neutrinos som produceras i hadronsonderfs.il innan strålen lir helt utvald eftersom dessa neutrinos inte har den rätta energin eller ens rätt "tecken".

Detta genomförs genom att kräva att den prinära protonsträlen liksom hadronstrålen innan impulsval pekar tillräckligt ifrån neutrinodetektorernaj hadronstrålen styrs i detektorriktningen för3t när inpulsvalet har skett. Fördelarna ned att utvälja nesoner av en viss impuls och laddning ärt

1) Neutrinospektra är flata» Se avsnittet 5*1»1»

2) Det är möjligt att bestarna neutrinoenergin hän- delse för händelse.

3) "Ilonitoring" av neutrinoflödet är enklare än i

"wide band"-fallet.

nackdelarna är att intensiteten är cirka 100 gånger lägre än i

"wide band"-strålar.

5»1»5 "Beam dump"-neutrinO3trålar

I dessa stoppas alla sekundära hadroner i en "dump" (liksom na- turligtvis alla primära protoner) av något tungt material så ett de konventionella källorna för neutrinos ClT,K,hyperoner) får väl- digt låg sönderfallssannolikhet (i detektorriktningen). På så sätt ninskar neutrinoflödet sed flera tiopotenser jämfört med

"wide band"»strålar* Syftet ned "beam dump"-strålar (-experiment) är att leta efter nya svagt växelvexkande partiklar eller neutri- nos producerade direkt eller genom sönderfall av partiklar med

livslängder kortare än 10~ sek» Genon att variera densiteten hos "dumpen" kan man "extrapolera bort" (so2 vi 3ka se snart i avsnittet O B WA 52> de konventionella neutrinokällorna och f&

kv*r de "SKOtiska" (charaade partiklar och helt nya källor)»

5.2 Appendix 3 fEEBC)

333C (Big European Subtle Chamber) är en nedkyld bubbelka.~mare där nan kan använda flytande gaser. Vätskevolynen (32 n') är i stort sett en cylinder 3»5 a i dianeter och 4 a hög. 1'en synli- ga volymen är 20 o . EZBC är omgiven sv en supraledande aagnet på 3.5 ". Det nagnetiska flödet åter/änder i en järucyiinder 12 a i diaceter. 1! eds tross on denna (balcou 122?) finns en 2.*I (Ex-

te-mal Lyon Identifier) pu *jÖ n^ yta av proportionella trådkar:.- 2 tiare. 3e fig 5*4» Där registreras alla nyoner (vilket lag^ai /L V.nd och kan jänföras med fotografier för att identifiera alla ayoner). Tre sort3 fyllningar av 3S3C är i bruk»

1) H.- eller D.-fyllnir-g som sex fördelen av en target med enkla kärnor och precisa mätningsförhållanden med ett miniaum av störningar genom sekundära reak- tioner och muJtipel spridning; men med nackdelen av dålig partikelidentifikation, förlusten av neutrala hadroner och rätt liten targetvikt (3/4 ton S. eller t£ ton D

) .

2) 1'eonfyllning som ger fördelarna av större targetaas-

sa (10 ton)

detektion av neutrala partiklar ( J i

elektrosa^netiska skurar ) vilkas energi alltså kan

mätas och bättre partikelidentifikation (speciellt för e

och e") i utbyte mot att få en ner komplice- rad kärna.

3) E

eller D

i en genonskinlig plastlåda i rsitten (2 rr) omgivet av neon vilket gör det möjligt att stu-

dera neutrinokärnreaktioner och ändå behålla precisa näringsförhållanden» Priset är minskning av target»

massan till 1/S ton on H_ används och 1/4 ton med D,«

Pig 5»5 visar en reaktion i BZEC.

tMtttMmttft

Kig.irt $*4SehlM it U ehaabr* I boll«« MIC M CERJ) «c d«» d«ux d« clMMbrc* proportioAMlUt (enMnc 1'IMX.

11.V L ^{WA 21}

EVENT 294/0995

ro MOMENTUM IN GtV/t

35

5»3 Appendix C (Sxperinent "TA 52) 5.3.1 Bakgrund

I ett "bean duap

-experiEent under 1978 (?A 20) på CERIIss neu- trinostråle med B33C son detektor (fylld ned neon) och med en massiv koppar-

*dunp" (cylinder* 2 a lång, 27 cm diaaeter) obser- verades fler elektronneutrinos än vad sos kunde förklaras sed konventionella källor (K,A

ir). Möjligheter var charaade par-

tiklar, taus eller ännu oupptäckta partiklar. ^ t^f.-tnl käl- la vore on protonstrålen träffade vakuui. ; L ? ^ ?ci: ;._aducerade K som skulle kunna sönderfalla till elektrour outrinos. Dess*

titon kunde inte asynnetri nellan V- och y-, och mellan V - och

^ e e e Xi-flödena uteslutas. Bet kunde t.ex. bero ti sönderfallande kvarkar i Pati-Salaas teori (3e Referenser).

5»3»2 V;Å 52

?ör att öka statistiken godkändes ett nytt experiment ('.7A 52) ned tre gånger längre kömir.g. Speciella detektorer skulle pla- cerac parallellt ned vakuumrören före duspen för att kontrolle- ra protonskrapning (son trivial V -källa). ?ör att kunna Ites- tänaa den prompta komponenten ar neutrinema skulle den nya Cu- dunipen ha variabel densitet (full och 1/5)»

';*onflodet skulle H!&ta3 i de fyra första gapen i järns*<ärr.nir;£ren med förväntade flöden på 5000, 2C00, S00 och 300^4/cr:" och c:a 1.8 ggr aer ned 1/3 densitet. Det beräknades att 30-40 ','• av tiden skulle den lägre densiteten sitta i strålen för att nininera de statistis- ka felen. Experimentet tog data ur.der tiden I8/4 till 28/5 och parallellt med scanning av käraemulsioner deltog författaren i skiften för datatagning av nyonflöderna i 3E3C (3.'l) och i järn- skäxoningen efter sönderfa^.stunneln och "on line"-kontroll av apparaturen samt i skiften för scanning av bilderna tagna i 323C för att sortera frost neutrinohändelser och speciellt elektron- neutrinos. Experimentet skedde i samarbete mad två andra neutri- noexperinent sqa hade naroor respektive järn som detektorer i

stället foT)BE3C. Resultatet följer här. Ta dock avsnitt 5*4 och

5*5 (i 5*3*3) roed en nypa salt.

54

5.3.3

S'J>«ARY

This report is a pre-view rather than A re-view of what --.ill be the results of the recent (1979} CERX bean duap experiments.

en prospt single auon production at snail p. and xp in a FERMILAB beam dimp type cxperinent by the Caltech-FXAL-Rechester- 5:anferd collaboration and on prompt single electron production in a »" exposure of the tracksensitive target in BE1C at CERX. The essential details of the experiments arc briefly described. Thér* ars possible hints

in the CERM bean Jump data that 0 nesons are not the only source for the prompt ieptons.

Introduction

ess: neutrino fluxes discovered about one and half years ago were interpreted as first evidence for charaed particle' production in proton-nucleus collisions.

the evidence case fro» electron events observed in the CERX neutrino detectors l~ hhen performing proton bean dump experiments.

in such experiments the protons and their recondarics are absorbed as quickly as pos- sible in a dense block of heavy material in order to niniaiie the flux of neutrinos fron conventional sources («, K, A, I ) . This residual neutrino flux was not sufficient :o explain the rate of observed electron events which otherwise behaved like normal neutrino events (distributions in space, energy, and multiplicity). Therefore, they had to be attributed to a new source short-

lived enough not to be absorbed prior to decay and the simplest was to assume chanted particles.*

Leptons fron the weak decay of such short- lived parents (T < 10"i ls) are called prompt single leptons, in contrast to prompt mion (or electron} pairs due to e.g. electro- magnetic vector meson decay, Internal bremsstrahlung etc.

Further evidence for charmed particle production in proton-nucleus collisions cane fron prompt single nuons observed in the

(modified) narrow band bean neutrino Jetector at Femilat. In this experiment*

400 CeV protons were shot into the target calorimeter part of the detector itself, nnd the prompt single muons were separated from the - and K decay muons by measuring their rates at three densities of the target calorimeter and extrapolating to infinite density.

If interpreted in terns of neutrinos .ir.d muons front senileptonic decay of D r-csor.s (10'. branching ratio) the observed prenpt leptor. fluxes led to total cro«s

sections for the production of D sesams by protons ranging froa about 40 ab to several 100 »b with large statistical!»|,

systematic3 or model assumption"

uncertainties. Ignorance about the

dependence of the cross section on tfc* mass number A introduces an,additional uncertainty of a factor of about A¹*.

Since then charaed »article production has been observed more di-cctlr in proton proton collisions at the ISI: D-mcsons were detected via Kvx' amd leptomic decay modes*, Ac production was observed in tka pK* decay channel⁹. Also in those exper- ieeats the total production cross sections are rather uncertain, aainly due to

uncertainties in branching ratios and produc t i on m o d e I s .

During the past eight months more data have been collected on prompt single lepton production in hadron-nucleus collisions:

at CERN the beam dump experiments have been » re-done but with copper dump targets of different densities. At Fermilab a test experieent was done to study prompt single nuon production at small x- and small pz

in a still aore modified narrow band beam neutrino detector. In a ** exposure of the hydrogen filled tracksensitivc target (TST)

inside the N * / ^ filled BEBC events with single electrons have been observed.

It is mainly these last developments which will be reviewed - or rather

pre-viewed (most of the results are still preliminary) - in this paper, followed by a discussion of a few points which cast some doubt on the D-mcson origin as the only interpretation.

2. The CERM 1979 Beam Pump Experiments:

Prompt .Neutrinos

The nain aims of the 1979 beam dump experiments were:

- to improve the statistics to check the equality of the pror.pt v^#, v , v, , and v fluxes

- to use targets of different densities . to establish better the non-pronpt

neutrino background and to allow a direct measurement of the prompt neutrino signal in the neutrino detectors by extrapolation to infinite density

- to disprove experimentally that proton beam scraping upstream of the dump target created the excess (prompt) neutrino events

• to reduce the above mentioned large range of D production cross sections

- and - as before • to «earch for other possible origin» of prompt neutrir.es

:. i !..T.-3ut and u\?eri:-jntni Lietails

i.aycut. A schematic plan of the bean and Uot.ectv.rs is shown in tigure l(a). Protons of :.io:-.er.tua iOC CioV/c ire extracted during cue revolution (IS us) tron the CERN SPS .ir.d ;'ocu5ed onto the copper dunp target.

The construction cf the dump targets used is shown in figure l(b;.

Figure la) Layout of the CEKS 1979 Bean Dump ilxperir.ents.

Ill Details of 'Jump Construction.

—Ira—t*--*-É-I

..i i«

«—i— — •*—•}-]

II

i!»

m!Z 1

_ - - J B _ _ .

- ,:-'-.-.:-:^r;':i |

V ;••.•;'•'"'••.•.";;Vrl !

™s- ^j

:...:.i;::r..:f:dl^.J

In addition to the solid copper target of density g sj/crr, wnich will be referred to as full-density, tar- gets, of density 2.0 jn/c;nJ and 4.S g/cr.-, which will be referred to as 1/5-density ar.d 1/2-density respec- tively, were used. The ef'fgctive dump densities of 4.3 and 3 ;/cmJ were achieved by arranging cc?per disks of 27 en disr.eter and of 2 en thickness spaced by 2 cm and 4 cm respectively, over a total length of 2.6 n, which is sufficient to absorb >9Si of the primary protons. The dumps were water cooled.

72'i oi the experiments were nade with the full-iiensity dunp, 28"» with the 1/3-dcnsity dump, A short run, without neutrino detectors, was also performed, using the half-density target to nea- surc the nuon flux in the shielding.

Scraping monitoring. In order to ensure c:;i: neutrino i luxes come mainly frcm interactions and decays within the dunp ar.d not from proton interactions with the vacuum chamber wall upstream of the Ju::ip, the signal» of eight radiation monitors (icniiaiion cha-.bers) installed along the ejected prc:on bean line were continuously recorded. These scraping monitors were cniibrated such .that a prot-n bea:s-ios3 of 1.7 x 10"* (created

35

by flipping "0u thic': aluainuir. foils into the benm) 'educed \2V signal in the moni- tors at 101-» protons per pulse. It is estimated that such proton interactions would increase the conventional dump flux by 15 to 30'i. During normal running these scraping monitors were found to give signals less than 50 mV, thus keeping scraping contributions negligible.

Determination of the conventional neutrino riux. During the entire beaa uu^p experiments the flux of muons in various gaps in the steel shield (Figure l(a}) was measured using a system of solid state detectors, the charge signals of which were recorded pulse-by-pulse by i computerized data acquisition system11. These detectors have been cross-calibrated by using a moveable detector and also calibrated absolutely (to s6l) by counting rauon tTacks in emulsions exposed in front of the detectors.

The muon flux consists of two com- ponents, those coming from the conventional flux (the decay of * and K mesons etc.) and those from prompt decay. The prompt decay component contains both electro- magnetic (p, u, i, <t etc.) an* weak

(charm etc.) decays. If targets of different density are used the prompt flux will remain the same but the conven- tional flux will be suppressed in the denser targets. The muon data have been analyzed from all three targets^ and in all cases no radial dependence (perpendi- cular to the beam axis) of the flux was observed in any of the gaps. Figure 2 » shows s. plot of the muon fluxes obtained with different density targets in the first 4 gaps, which correspond to minimum nuon nonenta of 23, 57, 94 and 136 GeV/c respectively. The quantity plotted is the flux averaged over a circle of 40 cm radius around the beam axis and corrected (to the case of full density) for the effect « that muons in different targets traverse different amounts of material and hence undergo different amounts of multiple scattering and energy loss. The inter- cepts, at 1/p « 0 obtained from straight line fits to the data of Figure 2, give the prompt muon (ppr • upr) fluxes for different muon momenta.

This prompt flux can then be subtracted from the measured muon flux to give the conventional decay muon flux, which via a model for particle production in proton-copper collisions (of jr, K, A,

£ etc.) leads to an estimate of the conventional neutrino flux. This is shown in Figure 3. More details of this procedure, together with a discus- sion of the errors, including those introduced by the model, are given in Reference (12). The estirated overall error on predicted event rates from conven- tional neutrinos is tilt. The sum of pre- dicted u* and y" events has a smaller uncertainty (S-9*.).

Figure 2) Muon fluxes measured in the CERX Boan Duap E.xperinents as a function of 1/p.

sec

3) Conventional Neutrino Spectra:

(J) f ( K) (2) f v. (J) fron

ve from*(Sr°

and ip³ (6).

(3)

K " )e 3 (4), A The expectc

(2) fron 3«

'conventi-

The neutrino detectors. BEBC (820 m distant trom the dump) was filled with a neon-hydrogen mixture of density

0.66 g/cnr» (0.71.in 1977), has a fiducial volume of 19.3 aJ and a magnetic field of 35 kG. A 2-plane Lxternal Muon Iden- tifier (EMI) detects muons above S GeV with 93» efficiency, w"-event rates are corrected for this cut assuming a flat y-distribution for u" events.

The CDHS detector13 (890 m distant from the dump) consists of S era (first 3/4 of the apparatus) and IS cm thick magnetized steel plates (total length

20 n) with scintillator hodoscopes after every steel plate and wire cham- bers after every t 40 ca of steel. The fiducial volume corresponds to t S00 t.

The CHARM detector14 (910 m distance from the dump) consists of a segmented marble plate/scintillator calorimeter surrounded by a magnetized iron frame and followed by a toroidal muon spectrometer. The calorimeter is made of 78 modules each consisting of a marble plate (8 en thick), a proportional drift tube plane (128 x 3 x 3cm^z x 4m) and a plastic scintillator plane

(20 x 15 x 3cmz x 5n). Ninety-nine of the 176 tons are in the fiducial volume. Energy resolutions quoted are O.S//F for the hadron showers, 203 for the rauons.

2.2 Prompt Neutrino Event Rates » Total event rates. In order to compare the findings in the three detectors^{1 5}'^{1 7} quan- titatively the simplest common event sample criteria are: events with muons (negative or positive) and total hadron energy EH AQ > 10 GeV, corrected for muon acceptance ami detec- tion inefficiencies, and events without muon?

(i.e. neutral current events due Jo v^y, v^u,

ve> ^e an<* e v ents with an e" or e ) . The rates for these two event categories, called 1-u-events and 0-p-events, are given in Table 1, separately for full density and 1/3 onal oackgrour.d rate per ton and 1 01 8 density running. Combining the data from the protons at the position of BEBC is 4.5 two different density runs and extrapolating v \ 0.9 v*, 0.27 e' and 0.08 e* ev . . . .

above 10 GeV.

events lineaTly to infinite density the corresponding prompt signals are found. Thus the existence of a prompt neutrino flux inducing charged and neutral current events is established

independent of conventional background neutrino flux calculations .^^

^itt Table I.

Figure 4) Event samples and their energy /distributions as obsevvod in BEBC.

BEBC E,>IOGeV

10

NC

40 120 10 120 40 120 to 120 LCa.

40 120,

260

OBS.: 6T-I0S.21II. 2919.3 24.515. » I M 5S-J6.3J C0IW.BKGOi6S.5m T.ll.» 13.4115 2.81.24 »31 PROMPT! 36.7111.2 21.415.4 H.I i 5.2 7.813.2 2 0 1 .

„ , . t i n lie % T*»l« alt* IT I . ' . . '