super-kamiokande における Θ 13 探索の現状 と jhf-sk neutrino ...

Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会 1

Super-Kamiokande における Θ13 探索の現状と

JHF-SK Neutrino 実験における探索の可能性

大林 由尚 （ KEK-IPNS ）

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大気ニュートリノによる 13 searche の excess

Matter Effect:

Resonance:

Mantle(5): E 12GeVCore(13): E 5GeV

10GeV のニュートリノに注目

})(sin)2({sin)(

})2(sin1{)()(

232

132

0

132

0

ee

})1)(

)()(sin2(sin1 {)(

0

023

213

20

e

e

)/27.1(sin 22 ELm

0.5

)22(

2sin]2cos[

2sin2sin

2

22

22

m

ENG eF

M

2cos)/(

1055.6

)(

)(3

3

22 cmgeVm

GeVE

AZ

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Expected Oscillation Signals

•e-like 事象の増加量（ Nosc. /Nno_osc. ） •上向き e-like 事象の増減（ Nup /Ndown ）

sin2223=1.0sin2213=0.1m2=3x10-3eV2

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スーパーカミオカンデ50,000 トン水チェレンコフ検出器

有効体積 22,500 トン光電子増倍管

内水槽 11,146 本の 20 インチPMT外水槽 1,857 本の 8 インチ PMT

リングイメージで粒子識別μ 、ｅ、 π± 、 π0

チェレンコフ光量、リングの方向を用いて運動量を測定。

1996 年から稼動中今年（ 2001 年）は稼動開始後初めてのオーバーホール、数百本のＰＭＴを交換した。

1000m

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Super-Kamiokande 1280 日の大気ニュートリノデータ

+ data- MC w/o osc.- MC w/ osc.

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e-like 事象の U/D ratio

+ data- MC w/o osc.- MC w/ osc.

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Allowed Regions for Oscillation Parameters

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13 について

sin213<0.25 @90%CL (sin2213<0.7)

2 minimum @ sin2130.02

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他の実験との比較 （ sin2213 ）

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大気ニュートリノによる 13 search まとめ

Super-Kamiokande 1280 日の大気ニュートリノデータ（ Fully Contained events および Partially Contained events ） を用いた 3 世代解析を行った。sin213<0.25 @90%CL (sin2213<0.7)

Pure → 振動と Consistent

原子炉実験（ CHOOZ,Palo Verde ） と Consistent

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JHF-SK nu 実験の 13 search

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大強度陽子加速器 (JHF)-SK ニュートリノ実験の概要基線長 L=295kmニュートリノ源 :

大強度陽子加速器（ JHF ）50GeV, 0.77MW PSapproved, 建設開始2007 年ニュートリノビーム発射

E ＝ 0.5 ～ 2 GeV水チェレンコフ検出器に最適

Particle ID しやすいQE 散乱が主0 バックグラウンド

遠方検出器：スーパーカミオカンデ

22.5kt 水チェレンコフ検出器稼動中

295km

スーパーカミオカンデ（岐阜県神岡町）

KEK

Super-K ： 22.5kt Phase I JHF:0.77MW, 50GeV PS

Hyper-K: ～ 1Mt Phase II JHF-II: 4MW, 50GeV PS

大強度陽子加速器（茨城県東海村）

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大強度陽子加速器

JHF MINOS K2K

E(GeV) 50 120 12

Int.(1012ppp) 330 40 6

Rate(Hz) 0.292 0.53 0.45

Power(MW) 0.77 0.41 0.0052

茨城県東海村。日本原子力研究所内に建設開始、２００７年完成予定

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ニュートリノビーム３種のビームラインを考慮中

Wide Band Beam (WBB)大強度m2 に対して広い領域をカバーHE tail からの バックグラウンドが大きいNear/Far のエネルギースペクトラムの違いに由来する系統誤差が大きい

Narrow Band Beam (NBB)エネルギースペクトラム由来の系統誤差が小さいニュートリノエネルギーを調整可

Off Axis Beam (OAB)大強度のナロウバンドビームHE tail が NBB よりも多いニュートリノエネルギーの調整は難しい

Horns Decay Pipe

Far Det.

2horns

Wide Band Beam

Narrow Band Beam

Off Axis Beam

momentum selected

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Off Axis Beam (another NBB option)

Target Horns Decay Pipe

Far Det.

（ほぼ） monochromatic なビームが得られる。

ビームライン自身は WBB 。検出器をビーム中心から数度ずらす。

(ref.: BNL-E889 Proposal)

Decay Kinematics

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期待される SK でのニュートリノ反応数

(GeV)

(106/ cm2/1021POT)

(/22.5kt/yr)

Tot. (CC)

WBB

NBB

OAB

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エネルギースペクトルの比較

Linear LogWBBNBBOAB

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e の混入率

NBB (LE2) OAB (2degree)

0.73%(total)(0.15%@peak)

1.0%(total)(0.21%@peak)

K-decayK-decay

-decay

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e のシグナルe Q.E. C.C. interaction

ハドロンなし電子シャワー

single e-like ringCherenkov Angle ～ 42o

ニュートリノエネルギーを再構成可能

e

e+- shower

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→2２２２２２２２2ring が重なったり片方が非常に暗い場合 :

single ring に見えてしまう

NC反応のためニュートリノエネルギーを再構成できない

HE tail からのなだれ込み

バックグラウンド： N.C. 0 production

→

2 showers

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e selection

SK 大気 official selection (single-ring e-like):Fully Contained (No Anti-counter Activity)Single e-like ring Evis > 100MeVNo Muon Decay Electron

Tight e/0 separationビームに対するシャワーの方向

cose: 0 からのの場合 ,超前方に出やすい

２つめのリングを強制的に探すE(2)/E(1+2): BG では大

1-ring like と 2-ring like の likelihhod値の違いInvariant mass : BG では 0 mass 、 e では小

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BG 、シグナルのエネルギースペクトラムQuasi-Elastic 散乱としてニュートリノエネルギーを再構成Oscillation maximum 前後でエネルギーカット

0.4GeV< E <1.2GeV (OAB2o)

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BG,シグナルの期待値

e anti Signal

Generated 15340 297.0 1275 308.1

Survived 12.0 10.7 2.1 114.6

Red.eff. 0.08% 3.6% 0.16% 37.2%

(With 0) 11.1 0.6 1.4 0.0

m2=3x10-3eV2,

sin22e=0.05

Number of events for JHF(0.77MW) 5yr exposure to Super-Kamiokande(22.5kt)

OAB 2deg.

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13 に対する感度、測定精度5 年間のビーム照射により感度

sensitive down to sin22e0.003(sin22130.006) @90% C.L.

測定精度15% @sin22130.1

70% @sin22130.01

sin

22

e s

en

siti

vit

y

stat.

√stat2+sys

2

0.1+0.018-0.014

0.03+0.010-0.007

0.01+0.007-0.006

0.003+0.006-(0.003)

２ °OAB 5year 、(.sys=0.1Nexp)

２ °OAB

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m213=3x10-3eV2以外では：

sin22e~3x10-3 @m2=3x10-3eV2

E の調整により大気ニュートリノで許される m2 全体に対し sin22e~5x10-3 まで感度を持つ。

sin2213 ＝2sin22e~1x10-2

@90% C.L.

m2atm

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sys.=10% x Nexp と言っているが . . .達成するためにはかなり高精度な測定が必要

p-N interaction → HARP-N interaction → NuInt W.S.Reconstruction etc. . .

ひとつの安心材料K2K 前置検出器 (1kt 水チェレンコフ )

Observed # of 0 ： 4120Observed # of : 16487

(0/)DATA/(0/)MC = 1.03±0.02±0.02±0.09

JHFnu でもさらに高性能な前置検出器が必要

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2km 前置検出器280m では far/near ratio が十分flat ではない

2km離れるとほぼ flat

水チェレンコフ検出器は high event rate にあまり強くない原研から約 2km の場所に検出器を置くことを検討中

Far/Near ratio

280m 2km

0 5E(GeV)

0 5E(GeV)

JHF site

Target

Paci

fic

oce

an

4m

10m

20m

30m

2 4 6km

0

ν 40m @2km

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SUMMARY

JHF-SK Neutrino 実験：２００７年開始予定5 年間（～ 5ｘ 1021pot ）のニュートリノビームで：

sensitivity: sin2213.01 @ 90%C.L.

resolution: 15% for sin2213.1,70% for sin2213.01

CP 測定については午後の小林さんのトークに乞うご期待。

大気ニュートリノによる 13 探索：

Super-Kamiokande 1280 日の大気ニュートリノデータ（ Fully Contained events および Partially Contained events ） を用いた 3 世代解析を行った。sin213<0.25 @90%CL (sin2213<0.7)

Pure → 振動と Consistent

原子炉実験（ CHOOZ,Palo Verde ） と Consistent