Design and optimization of a variable momentum secondary beamline for NP06/ENUBET project

The precision of the measurement of the cross-section of the electronic and muon neutrino is mainly limited by the knowledge of the initial flux. The cur- rent precision is on the order of 5−10%. The ENUBET (Enhanced NeUtrino Beam from kaon Tagging) project proposes a new facility capable of moni- toring the neutrino beam produced by a secondary meson beam by tagging the corresponding lepton emitted in the same production decay. This type of study places several restrictions on the secondary beam, that essentially de- fines the energy spectrum of the neutrinos reaching the far detector. In this Ph.D. thesis work, we present the studies carried out for the design and op- timization of a modular momentum beamline (Multi-Momentum Beamline) at the BE-EA-LE section of CERN. The proposed layout is optimized for the transport of K+ and π+ mesons with momentum centered around 8.5, 6 and 4 GeV/c. Using this beamline, it is possible to monitor the neutrino en- ergy in the area of interest of experiments such as HyperK, T2K, and DUNE through the same configuration of magnets. In addition to modularity, the developed multi-momentum beamline presents remarkable properties such as a very satisfactory neutrino yield, control of the background, and satisfactory beam properties and performance that are all discussed in detail. A special target optimization procedure for maximizing the hadron yield has also been devised. Furthermore, the design is made up of only elements already in use at CERN. The use of pre-existing magnets allows a quantitative as well as qualitative analysis of the performance of the beamline as well as a low cost in the implementation. Finally, a comparison between Monte-Carlo and data for the ENUBINO prototype, tested at CERN’s EAST area is presented.

La precisione sulla misura della sezione d’urto del neutrino elettronico e muonico è limitata principalmente dalla conoscienza del flusso iniziale. La precisione attuale è dell’ordine del 5 − 10%. Il progetto ENUBET (Enhanced NeUtrino Beam from kaon Tagging) propone una nuova facility in grado di monitorare il fascio di neutrini prodotto da un fascio secondario di mesoni taggando il leptone corrispondente emesso nello stesso decadimento di pro- duzione. Questo tipo di studio pone diverse restrizioni sul fascio secondario, dal quale dipende soprattutto la distribuzione in energia dei neutrini che raggiungono il detector. In questo lavoro di tesi di dottorato si presentano gli studi effettuati per il design e l’ottimizzazione di una beamline a ener- gia modulare (Multi-Momentum Beamline) presso la sezione BE-EA-LE del CERN. Il layout proposto è ottimizzato per il trasporto di mesoni K+ e π+ con momento centrato in 8.5, 6 e 4 GeV/c. Attraverso questa tecnica è possi- bile monitorare l’energia di neutrini nell’area di interesse di esperimenti quali HyperK, T2K e DUNE tramite la stessa configurazione di magneti. Oltre alla modularità, la Multi-Momentum Beamline è caratterizzata da un angolo di produzione che permette un primo filtro dal fondo che raggiungerebbe il tunnel di decadimento. Inoltre, il design è composto da soli elementi già attualmente in uso al CERN. L’impiego di magneti pre-esistenti permette un’analisi quantitativa, oltre che qualitativa delle performance della beam- line oltre a un costo contenuto nell’implementazione.