The physics potential of the ENUBET/nuSCOPE neutrino beam at CERN

The research work presented in this thesis was conducted as part of the NP06/ENUBET and nuSCOPE experimental programs. The NP06/ENUBET experiment is aimed at designing and experimentally demonstrating the concept of monitored neutrino beams, a novel technology with a superior control of the flux at source. The limited knowledge of neutrino cross-sections at the GeV scale is one of the main systematic uncertainties for the next generation of long-baseline neutrino oscillation experiments (DUNE, HyperK). Neutrino cross-section measurements are limited by the poor knowledge of the initial flux and by uncertainties in the neutrino energy reconstruction. In ENUBET, the neutrino flux is monitored by recording the charged leptons produced in association with neutrinos from meson decay by instrumenting both the decay tunnel and the hadron dump. The use of fast silicon trackers placed along the beamline enables the neutrino tagging technique, which can uniquely associate in time the occurrence of each observed neutrino interaction in the detector with its parent meson and charged lepton, allowing a kinematic reconstruction of neutrino energy on an event-by-event basis. The nuSCOPE monitored and tagged neutrino beam is designed to eliminate the main sources of systematic uncertainty in cross-section measurements thanks to the flux monitoring at the percent level and the measurement of neutrino energy independent of final state particles reconstruction in the neutrino detector. nuSCOPE aims to deliver measurements of neutrino cross-sections at the GeV scale at the percent level - i.e. improving by one order of magnitude current experimental estimates - and will play a pivotal role in the precision era of oscillation physics. In my thesis work I contributed to three main aspects: the calorimeter prototype test beam, the neutrino flux systematic assessment, and the physics case of nuSCOPE. The ENUBET demonstrator, a large-scale prototype of a section of the instrumented decay tunnel, was exposed at the CERN East Experimental Area (PS T9) during dedicated test beam data campaigns. I contributed to the analysis of test beam data to assess the prototype performance, the development of a full and realistic GEANT4 simulation of the demonstrator reproducing test beam conditions, and data/Monte Carlo agreement studies. A major part of my research work was devoted to the assessment of neutrino flux systematic uncertainties and their mitigation using the charged lepton monitoring technique, with a special focus on the leading systematic contribution: the yields of secondary hadrons produced at target. I developed an algorithm capable of determining the impact of neutrino flux systematic uncertainties before and after using the information provided by the fit to charged lepton observables. I have shown that charged lepton observables can be used to constrain the neutrino flux at the percent level. Finally, the physics case of the nuSCOPE neutrino beam is presented in terms of cross-section measurements that could be made to reduce uncertainties in neutrino oscillation experiments, summarizing the work I carried out at CERN EP-NU. In particular, I provided a set of measurements benefiting from neutrino tagging, such as measurements of neutrino energy reconstruction bias and electron-scattering-like measurements with tagged neutrinos, which can provide key insights into electroweak nuclear physics.

Il lavoro di ricerca presentato in questa tesi è stato svolto nell’ambito del programma sperimentale di NP06/ENUBET e nuSCOPE. L’esperimento NP06/ENUBET intende progettare e dimostrare sperimentalmente la tecnica dei fasci monitorati di neutrini, una tecnologia innovativa che consente un controllo accurato del flusso prodotto alla sorgente. La conoscenza limitata delle sezioni d’urto dei neutrini alla scala del GeV costituisce una delle principali incertezze sistematiche per la prossima generazione di esperimenti long-baseline sulle oscillazioni di neutrini (DUNE, HyperK). Le misure di sezioni d’urto di neutrini risultano limitate dalla scarsa conoscenza del flusso iniziale e da incertezze nella ricostruzione dell’energia del neutrino. In ENUBET, il flusso di neutrini viene monitorato tramite la misura dei leptoni carichi prodotti in associazione ai neutrini dal decadimento di mesoni, instrumentando il tunnel di decadimento ed il dump di adroni. L’utilizzo di tracciatori al silicio veloci posizionati lungo la linea di fascio rende possibile effettuare il tagging dei neutrini, che associa univocamente nel tempo ciascuna interazione di neutrini osservata nel rivelatore con il corrispondente mesone progenitore e leptone carico, consentendo una ricostruzione cinematica dell’energia del neutrino evento per evento. Il fascio di neutrini monitorato e taggato di nuSCOPE è progettato per eliminare le principali sorgenti di incertezza sistematica nelle misure di sezione d’urto, grazie al monitoraggio del flusso con una precisione percentuale e alla determinazione dell’energia del neutrino indipendentemente dalla ricostruzione delle particelle in stato finale nel rivelatore di neutrini. nuSCOPE intende fornire misure di sezioni d’urto di neutrini alla scala del GeV con una precisione del percento - migliorando di un ordine di grandezza le attuali stime sperimentali - e avrà un ruolo determinante nell’era di precisione della fisica delle oscillazioni. Nel mio lavoro di tesi ho contribuito a tre aspetti principali: test su fascio del prototipo di calorimetro, la valutazione delle sistematiche sul flusso di neutrini, e lo studio del caso di fisica di nuSCOPE. II dimostratore di ENUBET, un prototipo su larga scala di una sezione del tunnel di decadimento instrumentato, è stato esposto al CERN presso l'East Experimental Area (PS T9) durante campagne dedicate di test su fascio. Ho contribuito all’analisi dei dati del test su fascio per valutare le prestazioni del prototipo, allo sviluppo di una simulazione completa e realistica del dimostratore in GEANT4, e al confronto dati/Monte Carlo. Un aspetto centrale del mio lavoro di ricerca è stata la valutazione delle incertezze sistematiche sul flusso di neutrini e la loro riduzione mediante la tecnica di monitoraggio dei leptoni carichi, con particolare attenzione al contributo dominante: le rese di adroni secondari prodotti al target. Ho sviluppato un algoritmo che consente di determinare l’impatto delle incertezze sistematiche sul flusso di neutrini prima e dopo l’utilizzo delle informazioni fornite dal fit alle osservabili dei leptoni carichi. Ho mostrato che le osservabili dei leptoni carichi possono essere utilizzate per vincolare il flusso di neutrini a livello del percento. Infine, il caso di fisica del fascio di neutrini di nuSCOPE è presentato in termini di misure di sezioni d’urto che possono ridurre le incertezze negli esperimenti di oscillazione, riassumendo il lavoro che ho condotto presso il gruppo CERN EP-NU. In particolare, ho fornito un insieme di misure basate sul tagging dei neutrini, come misure del bias nella ricostruzione dell’energia del neutrino e misure analoghe a quelle degli esperimenti di electron-scattering ma con neutrini taggati, che possono fornire indicazioni chiave sulla fisica nucleare elettrodebole.