Study of multiple vertices neutrino interactions in the OPERA experiment

OPERA is a long baseline neutrino experiment designed for tau neutrino searches in an almost pure muon neutrino beam. The detection is performed on an event-by-event basis which is possible thanks to the high spatial resolution of the detector. In fact, the set-up is able to observe very short decaying particles produced in neutrino interactions, such as tau or charmed particles. In particular, the experiment searches for events with one secondary vertex within 1 mm from the primary one. An event was recorded with an unexpected topology: instead of one secondary vertex it has two. Such an event was completely unexpected and a totally new analysis was required in order to understand its nature. The possibilities taken into account include most of the combinations of tau, charmed particle and hadron re-interaction within the lead. The new software, based on GEANT4, was set-up and successfully tested using a dedicated OPERA test beam. Thus, an ad hoc Monte Carlo generation was prepared in order to describe the properties of such a rare observation. Finally, a sample having the interesting topology was obtained and a blind procedure for the event identification could be developed. The event turned out to be very likely an tau neutrino interaction with charm production with a significance close to 3.5 sigma.

OPERA è un esperimento per lo studio di neutrini da fascio progettato per ricerca di neutrini del tau in un fascio quasi puro di neutrini muonici. La ricerca è basata su un’analisi evento per evento che è resa possibile dall’elevata risoluzione spaziale del rivelatore. Infatti, l’apparato è in grado di osservare particelle emesse durante un’interazione di neutrino che decadono entro brevi distanze. In particolare, l’esperimento ricerca eventi che presentano vertici secondari entro circa un millimetro dal vertice primario di interazione. Un evento interessante è stato osservato con una topologia inaspettata: invece un solo vertice secondario ne sono stati osservati due. Questo tipo di eventi era completamente inaspettato e una nuova analisi era necessaria per capire la natura dell’evento. Le possibilità considerate includono quasi tutte le combinazioni di tau, particelle charmate e reinterazioni adroniche nel piombo. Un nuovo algoritmo di simulazione, basato su GEANT4, è stato sviluppato e testato con successo usando i dati di uno dei test beam di OPERA. Quindi, una nuova produzione Monte Carlo è stata preparata per poter descrivere le proprietà di questo raro fenomeno. Infine, è stata preparata un’analisi per l’identificazione dell’evento osservato. L’evento è risultato essere molto probabilmente un’interazione di neutrino del tau con produzione di charm, con una significanza di quasi 3.5 sigma.