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T2K オフアクシスビームによるミューオンニュートリノ消失モードの測定 大谷 将士 ( 京大
D3) 2012/2/221. イントロ2. ニュートリノ振動実験 T2K3. νμ →νx 振動モードの測定結果4. まとめ
ニュートリノ質量と混合
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• ν に質量がある場合、
UPMNS は牧・中川・坂田行列で、三つの混合角 θ12, θ23, θ13 と CP 位相 δ で記述される。
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2
1
PMNSUe
フレーバー固有状態 質量固有状態
10000
0010
0
00
001
1212
1212
1313
1313
2323
2323 cssc
ces
esc
csscU
i
i
PMNS
ijijijij sc sin,cos
ν 振動
3
i
iiU
ii
tiEi
ieUt)(
itiEie
π+
μ+ e+
N
• ν が飛行中に、フレーバーが変化する現象
• 2 世代近似の場合、フレーバー α から β へ変化する確率は、)
]GeV[]km[]/ceV[27.1(sin2sin)(
422222
ELmt
時間発展:νμ νe
ν 振動の測定⇒混合角 θ と質量二乗差 Δm2 の測定
これまでの理解と未解決問題
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80.0~59.042.0~72.057.0~19.080.0~59.074.0~39.019.0~57.0
20.059.0~53.084.0~79.0
PMNSU
これまでの理解:2.53~8.3623
0.36~7.3212
4.1113 ?CP
問題 1:UPMNS と小林・益川行列 (≒ 単位行列 ) の違いの理解• 素粒子標準理論では理解不能で、新たな物理を切り開く鍵。
特に“最大混合”の θ23 が謎。問題 2:CP は破れているのか ? ( δCP≠0? )• 物質優勢宇宙を説明する手がかり。
δCP 測定の第一歩は θ13 の探索 ( 下式参照 ) sinsinsinsin)()( 231312 ee PP
25221
23231
232 eV105.7,eV104.2|||| mmm
T2K(Tokai-to-Kamioka) 実験
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• νμ 消失モード (νμ→νx) によって θ23 と Δm232 を精密測定
• νe 出現モード (νμ → νe ) によって θ13 を探索)/27.1(sin2sin)( 2
322
232 ELmP x
)/27.1(sinsin2sin)( 232
223
213
2 ELmP e
νμ
νμ? νe?
νμ→νx 測定原理
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Super-K で予想される νμ エネルギー分布
・ νμ イベント数 (NSK) の減少・ νμ エネルギー分布 (ΦSK) の歪み
νμ→νx 振動ナシνμ→νx 振動アリ
)/27.1(sin2sin)( 232
223
2 ELmP x
2323223
2 eV104.2,12sin m
νμ→νx の測定⇒
T2K セットアップ & 実験感度
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π+ νμ (sub-GeV)
陽子標的 & 電磁ホーン 前置検出器μ
μ モニター0 118m 280m 295km
p(30GeV)
• 実験感度 : これまでの実験から一桁以上の改善– δ(sin22θ23)~0.01, δ(Δm2
23)~1x10-4eV2, search (sin22θ13) > 0.006
– 陽子を標的に照射し、生成 π を電磁ホーンで収束– μ モニターで間接的に νμ ビームをモニター– 前置検出器で生成直後の ν ビームを観測– 後置検出器 Super-K で 295km 飛行後の ν ビームを観測
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ビーム中心オフアクシス角 θOA (2.5° に設定 )
キーポイント : ビーム中心は T2K 実験感度を左右する重要な測定。目標感度達成には 1mrad 精度のビーム中心の測定が必要
ビーム中心を Super-K から故意にズラす ( オフアクシスビーム )
感度向上の手法&キーポイント
ほぼ単色エネルギーのニュートリノビームを実現Eν ピーク = 振動確率最大 バックグラウンド反応 (CC1π, NC
1π) を減少、シグナル反応 (CCQE)を増加Eν ピークが θOA に激しく依存
前置検出器
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• INGRID(Interactive Neutrino GRID) @ ビーム中心軸– ビーム中心の測定 etc.
• ND280 @ Super-K 方向軸– イベントレートの測定 etc.
ビーム方向Super-K 方向
INGRID
ND280
• ニュートリノ生成点から約 280m 下流に 2 台の前置検出器
INGRID
10±5m
±5mν b
eam
Tracking plane
VETO
目的 : ビーム方向の測定・モニター• 同一構造モジュール ×16 台から構成• ビーム中心まわり (±5m) x (±5m) をカバー• 各モジュールは ~ 1m3, ~10 ton, 鉄とシンチレータートラッキングプレーンのサンドイッチ構造
irondesignedBeam center
νμ→νx 振動モードの測定結果
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• データセット• INGRID のビーム中心測定結果• ND280 のイベントレート測定結果• Super-K の νμ イベント測定結果• νμ→νx 振動モードの解析方法と結果
データセット
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RUN-1(Jan. ‘10 – June ‘10) RUN-2(Nov. ‘10 – Mar. ‘11)
・最大 145kW運転・合計 POT(protons on target) = 1.4x1020
ビーム中心の測定 @INGRID
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• ビームに同期した長い粒子飛跡を ν イベントと同定 • 水平 (垂直 ) モジュールでニュートリノイベントを数えて、
X(Y) ビームプロファイルを再構成。• プロファイル中心のピークをビーム中心と同定。
νμ
μ
シンチレーターエネルギー損失
νμ
n
μ
p
W±
典型的な ν イベントビームに同期した粒子飛跡を再構成
-5m +5m0m#
of e
vent
s
プロファイルピーク →ビーム中心
結果
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ビーム中心は安定。要求精度 1mrad よりも十分良い精度の測定に成功X direction = -0.014±0.025(stat.)±0.33(syst.)Y direction = -0.107±0.025(stat.)±0.37(syst.)
Y Profile in Apr. 2010 Monthly profile center
• 99.6% のデータを安定して取得し、ビーム中心を測定した。
ND280 によるイベントレートの測定
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νμ
~0.2T
νμ
FGD1 FGD2TPC1 TPC2 TPC3
FGD: Fine Grained Detector– ν 標的
( 有効質量 = 1.6ton)– ν 反応点の同定
• TPC: Time Projection Chamber – 飛跡の再構成– 曲率から運動量の測定、 dE/dx 測定と組み合わせて PID νμ CC イベントレート (purity~90%) を測定
FGD と TPC でイベントレートを測定。
イベントレートの測定結果
16データ /MC = 1.036±0.028(stat.) (syst.)±0.037(phys.)+0.042
- 0.036
データと MC はよく一致
CCQE 反応を仮定して再構成したニュートリノエネルギー
後置検出器 Super-K
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Outer Detector(OD)- 50kton- 1185 PMTsInner Detector(ID)- 11129 PMTs
Fiducial Volume(FV)- ID壁から 2m- 22.5kton
41.4
m
39.3m
• 295km 飛行後のビームニュートリノを観測• 大型水チェレンコフ検出器 @神岡鉱山内地下 1km• ビームニュートリノ到達予想時間 ±500usec のデータ取得
ニュートリノイベント @Super-K
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ν が水と反応して出てきた荷電粒子 (μ,e,π…) のチェレンコフリングを観測
n
W
μ(e)
p
νμ(νe)
W
μ(e)νμ(νe)
π±
CCQE 反応( シグナル )
CC1π 反応( バッググラウンド )
μ-likee-like
(edge がぼやける )
チェレンコフリングEν再構成が可能
νμ (νe )CCQE イベント数・エネルギーを測定
νμ イベント選択 & 結果
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Selection # of events
FCFV イベント@ ビームタイミング
88
Single μ-like リング 33
pμ > 200 MeV/c 33
崩壊電子数 < 2 31
1. FCFV イベント @ ビームタイミング2. Single μ-like リング3. pμ > 200 MeV/c– リング PID の性能を保障するため
4. 崩壊電子数 < 2– 再構成できなかった π±(→μ→e) イベント除去# of decay-e distribution Result of the νμ selection
νμ→νx 振動の解析方法
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),,2(sin 23223
2 fmLshape
),,2(sin 23223
2 fmLnorm
)( fLsyst
),,2(sin 23223
2 fmL
Likelihood for Number of events(Poisson probability)
Likelihood for the energy spectrum(product of PDF of the spectrum)
Constraint on f (Gaussian of the estimated error)
parameterserror systematic:f
を採用決定のために、 Likelihood Maximum Extended),2(sin 23223
2 m
SK での予想イベント数 :NSKexp
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Error[%]ν beam +4.8 -4.8ν cross-section +4.9 -4.5Final state interaction +6.7 -6.7Super-K +10.3 -10.3Near detector +6.2 -5.9Total +15.4 -15.1
MCND
MCSKobs
NDSK RNRN exp
での予想イベント数K-Super :expSKN
トレート前置検出器でのイベン :obsNDR
イベントレート前置検出器でのMC :MCNDR
イベント数でのMCK-Super :MCSKN
of dependence ),2(sin exp23223
2SKNm error systematic exp
SKN
エネルギー分布
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データは (sin22θ23, Δm223)=(0.99, 2.6×10-3 eV2) での予想と良く一致
Reconstructed νμ energy spectrum Best fit syst. parameters
νμ→νx 振動の解析結果
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90% confidence level contour
• Feldman-Cousins 法によって 90%CL intervals を見積もった
現行実験にならぶ高精度の測定に成功*今回用いたデータは T2K goal の 2%, MINOS(4003 イベント ), T2K(31イベント )
まとめ
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• ν 振動は素粒子標準模型の枠を超えた新現象であり、新たな物理を切り開く鍵である。– 混合角 θ23 の精密測定は、 CKM 行列と PMNS 行列の違いを理解するキーポイントである。– 混合角 θ13 の探索は新たな CP の破れを探索するために必要不可欠である。
• 長基線ニュートリノ振動実験 T2K 実験は、大強度オフアクシスビームによって世界最高精度の θ23 測定、世界最高感度のθ13 探索を目指す実験である。
• T2K は、初物理データ (2010/1~2011/3) を用いて νμ→νx 振動を測定し、これまでの実験に並ぶ高精度の θ23 測定に成功した。• θ13 については次の講演。
Backup
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イベントレート測定結果
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イベントレートは統計誤差 (~1.7%) の範囲内で安定
average
vertex and track angle of selected events
データと MC で各分布はほぼ一致Nobs/NMC= 1.06±0.001(stat.)±0.037(syst.)
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Horizontal profileData MC
Width = 441.7cm Width = 433.2cm
Vertical profileData MC
Width = 462.1cm Width = 457.0cm
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展望
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今後のデータ取得によって、世界最高感度δ(sin22θ23)~0.01 で測定可能 (もちろん、系統誤差の改善も必要 )
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31*200kW x 1day ~ 3.7e18
Event selection
32
Reject accidental noise event
Pre-selections
Tracking
Timing cut
Veto and fiducial volume cuts Reject beam induced muon
Neutrino event
Hit cluster
Reject cosmic-ray
Efficiency @ Eν=0.6 GeV ~ 40%BG contamination = 0.4%
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TPC(Time Projection Chamber)
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MicroMEGAS(x,y)読み出しドリフト時間 (z)→ トラックを再構成
磁場 (0.2T) で運動量測定 ガス中の dE/dx で μ/e識別 ビーム上流から TPC1, FGD1, TPC2,
FDC2, TPC3
x
y
z
FGD(Fine Grained Detector)
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シンチレータートラッカーの多層構造 ν 標的 & シンチレーターでのエネルギー損失から反応点付近の粒子を識別⇒ ν 反応の識別 FGD1: シンチレーター 1 ton
FGD2: シンチレーター 0.5ton + 水 0.5ton184c
m
1層 192本ν
プラスチックシンチレーター (1cm2断面 )
波長変換ファイバーMPPC
1 チャンネルのコンポーネント