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Measurement of Neutrino Oscillations with the MINOS Detectors in the NuMI Beam

Measurement of Neutrino Oscillations with the MINOS Detectors in the NuMI Beam. 論文講読. 2009/11/17 Zenmei Suzuki. 目次. イントロダクション ニュートリノ振動 NuMI Beamline MINOS Detector Neutrino interactions in the MINOS 解析 結果 まとめ. イントロダクション. M ain I nfector N eutrino

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Measurement of Neutrino Oscillations with the MINOS Detectors in the NuMI Beam

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Presentation Transcript

  1. Measurement of Neutrino Oscillations with the MINOS Detectors in the NuMI Beam 論文講読 2009/11/17 Zenmei Suzuki

  2. 目次 • イントロダクション • ニュートリノ振動 • NuMI Beamline • MINOS Detector • Neutrino interactions • in the MINOS • 解析 • 結果 • まとめ

  3. イントロダクション • Main Infector Neutrino • Oscillation Search • フェルミラボからスーダン鉱 • への長基線ニュートリノ実験 • νμ→ντの精密測定 • νμ→νeの探索

  4. ニュートリノ振動 通常扱っているνe , νμ , ντという状態はe, μ, τとの対生成における、つまり弱い相互作用の固有状態である。 これは質量の固有状態と必ずしも一致する必要はない。 2種類の固有状態が一致していない場合、どちらかの純粋な固有状態といのは、もう片方の固有状態の混合状態になる。 固有状態 弱い相互作用να ： νe , νμ , ντ 　　　　　 質量νi ： ν1 , ν2 , ν3

  5. 簡単のために2世代間の混合を考える。 時間発展 エネルギーE(GeV)のναが距離L(km)飛んだ時の生存確率は

  6. sin2(2θ) = 1, Δm2 = 2.43×10-3 (eV2), L = 735 (km) としてνμ → ντの生存確率を計算してみると、

  7. NuMI Beamline

  8. ターゲットとホーンの距離を変えることでニュートリノビームのエネルギーを変えることが出来る。ターゲットとホーンの距離を変えることでニュートリノビームのエネルギーを変えることが出来る。

  9. MINOS Detector MINOSの検出器はビームライン直下のNear Detectorと同じ構造をした735km下流のFar Detectorからなる。 Near Detector Far Detector • NuMIのターゲット • から1.04km下流 • 地下104m • 総質量0.98kt • NuMIのターゲット • 　から735km下流 • 地下705m • 総質量5.4kt • （有効質量4.2kt）

  10. 厚さ2.5cmの鉄板と厚さ1cmのプラスチックシンチレータ厚さ2.5cmの鉄板と厚さ1cmのプラスチックシンチレータ • のサンドイッチ構造。 • シンチレータは幅4cmの板状の物を並べており、隣の層 • のシンチレータと直交するように配置。 • 1.3Tの磁場。 • 上部には宇宙線VETOカウンターを設置。 Far Detector

  11. Neutrino interactions in the MINOS シグナル バックグラウンド charged current neutral current

  12. charged current（左）とneutral current（右）のモンテカルロシミュレーション

  13. 解析 • データ収集期間は2005年5月〜2007年7月 • 　　　　　　　　　　　　　　　　　（runⅠ& runⅡ） • 3.36×1020 POT(proton on target) Low energy beam と High energy beam という2種類の設定のビームが使われているが、Low energy beam の方がよりニュートリノ振動に対する感度が高いので、95%以上はこちらの設定で稼働している。 図は2種類の設定でのNear Detectorにおけるνμの charged current 事象のエネルギースペクトル。

  14. 他にも、何種類かの設定で測定が行われ、Near Detectorのデータが系統誤差の研究に用いられている。 具体的には、NuMIターゲットの位置に応じて異なった運動量成分を持つ2次粒子が発生するが、そのモンテカルロシミュレーションと実際の測定を比較し、2次粒子生成スペクトルに補正が与えられている。 前頁の図のFLUKA05とは粒子の輸送、相互作用のモンテカルロシミュレーションであり、Tuned MCというのがそれに2次粒子生成の補正したものである。

  15. イベントの選定 • neutral current事象はνμ ,ντの区別が出来ず、またνがエネルギーを持 • 　ち去るためエネルギーの再構成が出来ないのでcharged current事象　のみを用いる。 • μ+の事象は除外。 charged current事象の選定には、荷電粒子のトラックの 以下のパラメータを用いる。 • the track length • the average pulse height per plane • the transverse energy deposition • the fluctuation of the energy deposited • in scintillator strips CC selection efficiency : 75.3% → 81.5% NC contamination : 1.8% → 0.6%

  16. 系統誤差 2つの同じ構造の検出器で測定し、その比較を元に解析をするため、 などの系統誤差を大幅に減らすことが可能。 • ニュートリノビームフラックス • 検出器の性能 • 相互作用の不定性

  17. 解析手法 Near Detectorで得られたスペクトルから元となるニュートリノフラックスを算出 転送行列を用いてFar Detectorでのフラックスに変換 変換されたニュートリノフラックスを元にFar Detectorでのエネルギースペクトルを計算 測定値と比較し、νμの生存率を算出 Fitして振動パラメータを計算、他のモデルでもFitして比較 • decay • decoherence

  18. 結果 振動がないとした場合の期待値と測定値の比 Far Detectorで検出されたνμ charged current事象のエネルギースペクトル

  19. (68% C.L.) runⅠ runⅡ Decay , decoherenceのモデルはそれぞれ3.7σ, 5.7σで否定される。

  20. まとめ (68% C.L.) • 特に|Δm2|の精度が向上 • ニュートリノ振動以外のνμ欠損の可能性を • 　強く否定（decay: 3.7σ, decoherence: 5.7σ）

  21. Back up

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