1 / 48

ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積 と T2K near detector

日本物理学会 2007 年春 3 月 27 日@首都大学東京. K2K. ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積 と T2K near detector. 中家 剛(京大理). m. n. n. m. <. <. <. <. <. <. p. n. 始めに. ニュートリノと原子核反応(~ GeV 領域) 古い物理: ~1980 年頃に主に泡箱で測定された。 現在電弱相互作用は高精度で検証されている。 少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。 ニュートリノビームの不定性も大。 最近脚光を浴びている。

tirza
Télécharger la présentation

ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積 と T2K near detector

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. 日本物理学会2007年春 3月27日@首都大学東京 K2K ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積とT2K near detector 中家 剛(京大理)

  2. m n n m < < < < < < p n 始めに • ニュートリノと原子核反応(~GeV領域) • 古い物理:~1980年頃に主に泡箱で測定された。 • 現在電弱相互作用は高精度で検証されている。 • 少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。 • ニュートリノビームの不定性も大。 • 最近脚光を浴びている。 • ニュートリノ振動実験のために高精度なデータが必要。 • 実験データの存在が必要不可欠➪原子核のモデル化、汎用シミュレーターの開発 p

  3. Series of Workshops Gran Sasso NuInt07

  4. Contents • K2K実験とT2K実験 • ニュートリノ・原子核反応断面積(K2K実験) • K2Kビームと前置ニュートリノ測定器 • CC Quasi-Elastic反応 • CC/NC-1p反応 • NC 1p0 • CC-coherent p • Nuclear de-excitation g and NC elastic • Expected new results from K2K • T2K Near Detectors(T2K実験) • T2K n Beam • T2K ND280 with New Technology • Summary

  5. 1. K2K and T2K J-PARC KEK • K2K (KEK to[2] Kamioka)1999~2005 • 世界初の長基線ニュートリノ振動実験。 • ニュートリノ振動を確認。 • T2K (Tokai to[2] Kamioka) 2009~ • 世界最高感度の加速器ニュートリノ振動実験

  6. 2.ニュートリノ・原子核反応断面積(K2K実験)2.ニュートリノ・原子核反応断面積(K2K実験) • K2K実験からの物理論文 • ニュートリノ振動:6編 • PRD74(2006), 072003 {39 pages long} • ニュートリノ反応断面積:3編 • NC-1p0の生成断面積 • T2K実験における電子ニュートリノ探索のバックグラウンド • NC反応を選択(ニュートリノフレーバーに依らない) • CC coherent pの探索 • ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(バックグラウンドの理解) • CC Quasi-Elastic反応のAxial Vector Massの測定 • ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(信号の理解)

  7.  GeV領域のニュートリノエネルギー測定 CC quasi elastic (QE) CC inelastic nm +n→m +p nm+ n→m+ p+ p m- m- (Em, pm) qm (Em, pm) qm p n p p’s •  ニュートリノエネルギーは終状態のみから測定可能。 • 入射エネルギーは分からない。 •  終状態 • 準弾性散乱(~50%) • 非弾性散乱(~50%) ➪ 各種のニュートリノ反応の理解が重要。 inelastic QE

  8. 2.1 K2Kビームと前置ニュートリノ測定器 Lead Glass or K2K n beam • K2K Beam • ~98% pure nm beam with <E>~1.3GeV • K2K Near Detectors • 4 detectors with H2O, HC and Fe targets.

  9. 2.2 CC Quasi-Elastic反応の研究-- ニュートリノエネルギー測定の主チャンネルーー • Scintillation Fiber planes and Water Target sandwich tracking detector • Pm > 600 MeV/c • Pp > 600 MeV/c • not always seen m p CC-QE candidate event

  10. (*)A,B,Cはq2、F1V、F2v、FAの関数。 Axial-Vector Form Factor with a dipole approximation. (only given from n scattering) • ニュートリノビームの絶対フラックスを高精度で見積もるのは困難(不可能?) • ds/dq2の分布の形でMAを測定する。

  11. PRD74(2006), 052002 • MA= 1.20±0.12 GeV/c2 • Largest systematic errors • Muon momentum scale: 0.07 • neutrino beam flux: 0.07 with Two-track QE events. (a proton with QE kinematics) One-track events. QQE2 (GeV/c) 2 QQE2 (GeV/c) 2 not used in fit (nuclear effect)

  12. Discussion w/ the past measurements K2K result CC-QE cross section s(nmnm-p) K2K s(10-38cm2) • We measured MA from the q2 shape. • Systematic difference from the measurement of the total cross section? 10-1 1 10 0 0.8 1 1.2 MA (GeV/c2) Neutrino Energy (GeV)

  13. 2.3 CC/NC-1p反応 (NC-1p0) NC: n+N→n+N’+p0 • 1KT Water Cherenkov Detector • Two Electron Ring Events. • Reconstruct gg inv. mass. NC-1p0 Not NC-1p0 Mgg (MeV/c2)

  14. NEUT PLB 619(2005), 255-262 ⇐ model prediction with NEUT: 0.065 • An important channel to study ne appearance. • A further study is necessary! • Nuclear Effect • non NC-1p0 channel.

  15. 2.3 CC/NC-1p 反応 (CC coherent p+) • In K2K, there was a long-standing puzzle of the deficit of forward going m events. • 小さな CC coherent p断面積が原因. Coherent p CC 1p (n+Nm+N+p) m n n m p* < < < < p N * < p ニュートリノが原子核と コヒーレントに反応して πを生成。 N t ~ 0 N

  16. n SciBar Detector Extruded scintillator (15t) EM calorimeter • 抽出型シンチレータを波長変換ファイバーで読み出す。 • 2.5 x 1.3 x 300 cm3セルサイズ • ~15000 チェンネル • 短いトラックも見える (>8cm) • πと陽子をdE/dxで識別 • High track finding efficiency (>99%) • Clear identification of ν interaction process 3m Multi-anode PMT (64 ch.) 3m CC-QE event candidate 1.7m Wave-length shifting fiber

  17. Q2 distribution in the CC-coherent p sample Signal Region (S/N ~ 1) ⇐ model prediction with NEUT: 2.66710-2 New and modified models are proposed to explain the small cross section. CC coherent-p事象は観測されなかった。

  18. PRL95, 252301 (2006) 0.65x10-40 Coherent p cross section • How is the NC coherent p cross section at the low energy?

  19. 2.4 Nuclear de-excitation g and NC elastic Proton Decay: p→nK+ • NC: n + p → n + p 16O n K+ n 16O n 15N* 15N* g g p

  20. pnK+ Signal -- Prompt g tag is a very powerful tool. 2,200ns

  21. First Observation of g rays from de-excitation of nuclei induced by neutrino interactions. • Good confirmation of prompt g-ray tag in the proton decay search. • Good NC samples for neutrino oscillation study. • ~60% NC-elastic • ~80% NC interactions. 1KT Neutrino Beam data • Analyzed ~1/10 K2K data. • Observation: 6504.1 events. • MC prediction: 5273 events. • Data/MC = 1.23 ±0.04(stat.) ±0.06(sys.) MC Nucl.Phys.Proc.Suppl.159 (2006), 44-49

  22. 2.5 Expected New Results from K2K • 1KT • CC 1p0 study for proton decay search BG • SciBar • CC 1p+ production cross section • CC p0 production cross section • More?

  23. 3. T2K Near Detectors Off-axis Detector Ground level 2.5deg beam center 28.5m On-axis Detector Neutrino Beam Flux & Spectrum Neutrino Interactions Magnet: 0.2 T outer: 6.1m(H) x 5.6m(W) x 7.6m(L) inner: 3.6m x 3.5m x 7.0m Neutrino Profile & the beam center

  24. 3.1 T2K n Beam • Conventional nm beam: • p + Graphite target p’s • p+ or p- is focused selectively by 3 electromagnetic horns. p+ m+ + nm or p- m- + nm • Off-Axis technique: (OA = 2 ~ 2.5) • Tune n energy at oscillation max. • Reduce the high energy neutrinos. Extraction point Target &horn Oscillation Prob.@ L=295km Dm2=2.510-3, 3.010-3[eV2] Decay Volume n energy spectrum (flux Cross Section) 280m Beam dump m-monitor OA0 OA2 OA OA2.5 nNear Detector OA3 SK

  25. 3.2 T2K ND280-offaxis • Spectrometer in the magnet. • Finer-Grained target Detector (FGD) • 11 cm2 segmentation (SciBar: 2.51.3 cm2) • Large TPC (2.52.51m3 3) • EM calorimeter and Muon Catcher surrounds • p0 dedicated detector (P0D) Physics purpose • Measure n-flux in SK direction : FnND(En). • Measure nm, nm and ne+ne fluxes. • Neutrino energy w/ CC-QE. • Cross sections of n interactions • CC-1p : BG for En reconstruction • NC-1p0: BG for ne detection Reuse of UA1 magnet ~0.1 events/ton/spill

  26. w/ Micromegas ND280 and New Technology 8mm P0D Dedicated p0 Detector UA1/NOMAD magnet w/ 0.2T (3.53.6 7m3) • New photo-sensor (Multi-pixel Si APDs) for all scintillator detectors: P0D, FGD, ECAL, SMRD 2FGD + 3TPC for nm FGD scintillator w/ Water Target w/ Water Target 10mm ECAL for p0 ne Muon Range Detector CPTA MRS-APD HPK MPPC 1mm 1mm

  27. Micromegas for TPC (copy from http://cbernet.home.cern.ch/cbernet/Micromegas)

  28. New Photo Sensors (maybe familiar as SiPM) T2K実験で約60,000チャンネル使用(2007-2008年) MRS APD (Russia) 2 光子計測 1 3 • 安価でコンパクト • 磁場中で使用可能 • 低電圧(~70V)で動いて高ゲイン(106) • 高い光子検出率(緑の光に対してPMT~2倍強) • ノイズが多い(~O(100kHz)) HPK MPPC (Japan) 4 0 1mm 5 6 7 100mm 8 KEK測定器開発室を中心に開発・試験中

  29. Neutrino Interactions at ND280 CCQE Pp 0 1 2 (GeV/c) CCQE CCQE qm Pm 0 40 80 120 160 (degree) 0 1 2 3 4 (GeV/c)

  30. 4. Summary(個人的見解) • ニュートリノと原子核反応の物理自身は古い物理であるが、 • GeV領域のニュートリノ振動研究に必要不可欠の情報。 • 他の例:LHCの新物理探索においてQCDの研究が必要。 • 気付いていない物理を引き出せる可能性もある(後半の講演参照)。 • Δsを測る? • 様々なパズル ① CCとNCのコヒーレントπ反応の断面積比は? ② CC-QEのフォームファクターは? なぜMA~1.2? ③ ニュートリノ反応断面積の絶対値? • 新しい領域で、各人のアイデアを活かせる。 • ただし、解析や研究のテンプレートは無いので、チャレンジしがいはある。

  31. Summary • K2K実験(1999-2005) • ニュートリノ振動の結果は完結。 • ニュートリノ・原子核反応の解析は地道に進んでいる(主に外国人メンバーによる)。 • T2K実験(2009-) • ビームライン、ビームモニター、前置測定器の建設とスーパーカミオカンデのアップグレードが進行中。 • 立ち上げのピークに向けて、活躍できる現場が多くある。そのまま物理につながる。 • 即戦力求む!

  32. Backup

  33. NON NC-1p0 fraction

  34. Q2 distribution in the CC-coherent p sample Signal Region (S/N ~ 1) No Evidence of CC-coherent p process at low energy In the Signal Region, • Observation: 113 • BG estimate: 111.410.6(stat.) • Signal prediction by the Rein&Sehgal model: 99

  35. Upper limit on σ(CC-coherent p)/σ(nmCC) ⇔ Rein & Sehgal : 2.667 x 10-2 Main Systematic uncertainties Nuclear effect and neutrino interaction (+0.273, -0.253) p absorption in the nucleus +0.171, -0.08 BG estimation from CC-1p +0.144, *

  36. K+ 16O n 15N* g A Novel Idea: Prompt g tag Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:44-49,2006 • A proton in 16O decays (or disappears) ➾ 41%6.3MeV g-ray generates This propmt g events will be measured at K2K by NC elastic scattering (n+16On+15N*+p).

  37. Nghit • 1-ring m-like • 215pm260MeV/c • 1 Decay electron • No proton ring • 7Nghit60 (prompt g) Efficiency= 8.6% tp/BR(pnK+) >1.1 x1033years (90% CL) w/ 0.7 expected Background events

  38. J-PARC schedule w/ beam power estimation 0.75 MW Hardware upgrade is necessary for  1MW. Target date for new RF system installation.

  39. Design-A OR x & y views Design-B 10cm 10cm On-Axis Neutrino Monitor (INGRID) - Extruded Scintillators- Photo-Sensor (MPPC/SiPM) 14 Iron/Sci sandwich trackers are placed with a “cross shape” around the beam axis Each tracker consists of 10 iron plates and 11 scintillator strip planes + veto planes around each tracker

  40. 365mm 2300mm 2 K2K-SciBar FGD iPlastic FGD: 15 XY modules (30 layers) iWater FGD: 7 XY modules with 6 water layers (2.5cm/layer) iNominal scnitillator bar: 1cmx1cmx185cm Scinitillation counter: 1cm1cm ( better segmentation then K2K)

  41. 1 m TPC • Measure the momenta of all charged particles: m, e, p ,.. • Particle ID for e versus m. • Gas amplification devise: Micromegas • 12 modules on each TPC end plate (Module: 34cm x 36 cm) • 72 modules in total 3

  42. fiber Photo-sensor ECAL • Measure the EM component (e, g) from P0D and FGD, and veto background particles coming outside. • Measure the EM cluster position and energy. • Perform Particle ID. scintillator bar (4cm (width) x1cm (depth)) with 0.03X0 Pb Barrel ECAL module

  43. P0D • iA dedicated NC p0 detector. • Pb(0.6mm) + scintillator(17mm thick) + Water

  44. SMRD • iMuon Range detector to catch the muon going out of the TPC acceptance. • iMomentum measurement by the range of muon whose momentum is not measured by TPC. • iScintillator modules are instrumented in the Fe gap (4cm) 1 unit: 4 scntillator slab

  45. Summary of the detector technology

More Related