Takatomi Yano 1

Of-Axis前置検出器を用いたT2K実験ニュートリノビーム測定

2011/03/26 関西高エネルギー発表会, 大阪大学矢野孝臣，原俊雄，鈴木州，青木茂樹A，家城佳B，南野彰宏B，中

家剛B，他T2K-SMRDグループ神大理，神大発A，京大理B

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T2K実験とは

νμ

νeJ-PARCSK 295km

T2K俯瞰図

T2K実験の目的

T2K実験

実験施設・検出器ビーム源:　J-PARC 30GeV PS前置検出器: ND280 Of-Axis, INGRID後置検出器: Super Kamiokande

J-PARC, SK 二地点のフレーバー・エネルギー・フラックスを比較しニュートリノ振動パラメータを決定。

1. νe appearanceの探索 θ13 の測定 (感度: sin22θ13>0.006) P(νμ→νe)　=

s223sin22θ13sin2(1.267Δm213L/E)

2. νµ disappearanceの精密測定 θ23, Δm2

23の測定 (精度:δ(sin22θ23)~0.01, δ(Δm2

23)~10-4eV2) P(νμ→ντ)　=

sin22θ23sin2(1.267Δm223L/E)

東海-神岡295km 長基線ニュートリノ振動実験

Takatomi Yano 3

ND280 Of-Axis検出器

TrackerP0D

NC(νμ+ n →π0+νμ+ n)測定 (P0D)

CC(νμ+ n →μ + p)測定 (FGD, TPC)

大角度散乱μのE測定 (SMRD, ECAL)

UA1電磁石 (0.2T Dipole)

構造

ν beam

Off-Axis

SK

INGRID

目的: ニュートリノターゲット下流280mにおける 振動前SK方向νビームのE,フラックス,フレーバー測定

Takatomi Yano 4

Side Muon Range Detector

目的・ν反応による大角度散乱μのエネルギー測定・大角度生成粒子のPID・キャリブレーション用宇宙線トリガー・バックグラウンドイベント検出(宇宙線等)

SMRD Module

3~6層構造鉄 : 4.8cmプラスチックシンチレータ

: 0.7cm

Horizontal192mod.

Vertical248mod.

ν beam

Takatomi Yano 5

ニュートリノ反応解析ニュートリノ反応解析で重要なパラメータ・反応数 N : ニュートリノフラックスの決定・ミューオン運動量 p 　ミューオン放出角 θ: エネルギースペクトラムの決定ニュートリノ反応解析で重要な反応・Charged-Current Quasi-Elastic反応 : νμ+ n →μ + p　二体反応であり、p, θからνのエネルギーを決定出来る。

mμ: ミューオン質量, p

μ:ミューオン運動量 θ

μ:ミューオン放出角,

mp: 陽子質量, E

B: 核子の束縛エネルギー

ニュートリノエネルギー再構成の式

Takatomi Yano 6

既存の解析 (FGD-TPC)既存の解析・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを抽出・使用。

μν

FGD TPCνイベント模式図

FGD Fiducial Volume内CC反応からのミューオン放出角黒: FGD Fv内での全CC反応　赤: 現在の解析で用いられる反応

cosθ

N [ b

in 幅

0.04

]

Takatomi Yano 7

既存の解析 (FGD-TPC)既存の解析・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを抽出・使用。

ν

FGD TPCνイベント模式図

cosθ

N [ b

in 幅

0.04

]

大角度領域

既存の手法では、大角度の領域のエフィシエンシが小さい。SMRDを用いることによってこの領域の解析を行う。

μ

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SMRD イベント抽出

FGD FV内反応, FGD Track >= 14756 Event ( 4267 Event Expected with MC )

実データ: 2010年前期のうち2.55e19POT分を使用(全体の~89%)MC: 1e20POTを使用 (MCP2, Magnet)

TPC Trackなし2313 Event ( 1729 Ev. )

SMRD イベントの抽出飛跡数1or2, SMRDを含む飛跡>=1

Meaningful Exit Position info.126 Event ( 135 Ev. )

TPC Trackあり2443 Event ( 2538 Ev. )

ミューオンイベントの抽出( Max p track, q > 0,

p > 50MeV, Particle ID Mu )1010 Event ( 1008 Ev. )

SMRD イベント 抽出・CCQE反応を保持し、SMRD情報を使用できるイベントを抽出するため、以下のイベントセレクトを適用。(赤: TPCセレクト)

Takatomi Yano 9

SMRD イベント解析SMRD イベント 解析・ミューオン放出角θ : FGD内情報を利用。・ミューオン運動量p : SMRD内の粒子の飛程からEDepを算出、

ミューオンを仮定して運動量を求める。

ν

μ

FGD, Fiducial Volume L

SMRDシンチカウンター, 0.7mm

Magnet Yoke 1 layer :4.8 cm Iron+1.7 cm Air

θ

Edep = SMRD内Edep + FGD内Edep + 電磁石コイル内Edep = { (L – (AirGap長))/sinθ' × 7.874 [g/cm3] + FGD内飛程 x

1.0 [g/cm3] + 5.4 [cm]/sinθ' × 2.699 [g/cm3] } × 2.0 [MeV cm2/g]飛跡の角度θ'はFGDからのExitPoint座標とSMRD内終座標を用いて算出

θ'

Takatomi Yano 10

運動量再構成

＋ : データ 再構成運動量青 : MC 再構成運動量マ : MC Trueの運動量POT Normalized(True値のヒストグラムは、p<100のbinを除いて再規格化。)

運動量再構成の結果・平均値 500MeV/c (MCTrue: 509)・MCから運動量の誤差は+-51%。

P [MeV/c]

N [ (

2.55

e19P

OT)^

-1 ]

bin幅

100M

eV/c

・ミューオンの割合: 81%・CCQE反応の割合: 70%

Reconstructed Momentum Distribution for SMRD Event

Takatomi Yano 11

放出角再構成

＋ : データ 再構成放出角青 : MC 再構成放出角マ : MC Trueの放出角POT Normalized.True値はp>100で再規格化

放出角再構成の結果・CosTheta~0.6近辺を抽出。・MCから精度はδθ=+-0.03

cosθN [ (

2.55

e19P

OT)^

-1 ]

bin幅

0.04

・MC Trueと180度逆に再構成されているものがある。

→ 今後精査Reconstructed CosTheta Distribution for SMRD Event

Takatomi Yano 12

FGD-TPC解析との比較 -1-

P [MeV/c]

P [MeV/c]

FGD-TPCとの比較FGD - TPC SMRD統計数 1010 126

ミューオン割合

87% 81%

CCQE割合

50% 70%

運動量測定領域

50MeV~ 5GeV

100Me〜 1GeV

放出角測定領域

0.2~1@cosθ

0.2~0.8@cosθ

運動量分解能

± 9.3% ± 45%

＋ : データ 再構成運動量青 : MC 再構成運動量マ : MC Trueの運動量

＋ : データ 再構成運動量赤 : MC 再構成運動量マ : MC Trueの運動量

Reconstructed Momentum for TPC Event

Reconstructed Momentum for SMRD Event

N [ (

2.55

e19P

OT)^

-1 ]

bin幅

100M

eV/c

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TN15との比較 -2-

cosθ

N [ (

2.55

e19P

OT)^

-1 ]

bin幅

0.04

ミューオン放出角分布・cosθ = 0.2-0.5の領域について、FGD-TPCのみの場合に比して統計を二倍にすることができる。

Reconstructed CosTheta Distribution

黒 : FGDFV Cc反応 (MC)赤 : FGD-TPC解析青 : FGD-SMRD解析緑 : 赤+青

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νエネルギー再構成

＋ : データ 再構成運動量赤 : MC 再構成運動量マ : MC Trueの運動量

＋ : データ 再構成運動量青 : MC 再構成運動量マ : MC Trueの運動量

Recon NuEnergy, SMRD

Recon NuEnergy, TPCMC True NuEnergy, FGD Start黒 : FGD FV CC赤 : FGD - TPC青 : FGD - SMRD

1010 Event (Data)1008 Event (MC)

公式値 :

126 Event (Data)135 Event (MC)

νエネルギー再構成SMRD部分の強度 (Data/MC)

= 0.93 ± 0.10TPC部分の強度 (Data/MC)

= 1.00 ± 0.04合算 = 0.99 ± 0.03

(統計誤差のみ)

Takatomi Yano 15

Summary● T2K ND280前置検出器の一部であるSMRDを用い、FGD内で反応

した大角度散乱ミューオンの抽出・解析を行った。● SMRD内での飛程からエナジーデポジットを用い、ミューオンの運動

量を測定した。MCより、運動量の誤差は±51%と見積もられる。● 2.55e19POT分のデータに対し、FGD-SMRDイベント数として

126 Event (Data)を得た。● これは既存のFGD-TPC解析手法で得られたイベント数の10%に相当

し、特にCosTheta = 0.2 – 0.5領域において、統計数を倍にすることが出来る。

● Data/MC Rate として、FGD-TPC: 1.00±0.04, FGD-SMRD: 0.93±0.10, Total: 0.99±0.04を得た。

● 今後の展望● エナジーデポジット算出式の見直し● Mcに対し、現在使用されているウェイティングを適用● SMRD情報を用いたData/MCの更新。

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Slide Candidate

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既存の解析既存の解析・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを抽出・使用。

μν

FGD TPCνイベント模式図

FGD Fiducial Volume内CC反応からのミューオン放出角黒: FGD Fv内での全CC反応　赤: 既存の解析 青: 本発表 緑: 青+赤

cosθ

N [ b

in 幅

0.04

]

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既存の解析既存の解析・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを抽出・使用。

μν

FGD TPCνイベント模式図

cosθ

N [ b

in 幅

0.04

]

大角度領域

既存の手法では、大角度の領域のエフィシエンシが小さい。SMRDを用いることによってこの領域の解析を行う。

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Back Up

Takatomi Yano 20

Muon Pull, Electron Pull

PID Pull:|MuPull-1| <2|ELPull-1| > 2

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T2KニュートリノビームT2K実験 ニュートリノビーム模式図

SK

Off-Axis Angle

p π μ

0m 120m 280m 295km

30GeV PS

ν

ND280MUMONTARGET, HORN

+

振動: P(νμ→ντ)　=sin22θ23sin2(1.267Δm223L/E)

条件:　L=295km, Δm223〜2.4 x 10-3 eV2

Of-AxisビームBeam軸-SK方向間角度(Of-Axis Angle)を設定SK方向ν beamのエネルギー分布を最適化

● 高エネルギーν反応によるνe検出BGを抑制

● νµ disapperanceの確率を最大化

→Eν 〜0.6 GeVで振動確率が最大 Of-Axis Angle = 2.5°に設定

Off-Axis Angleによるνfluxの変化

Takatomi Yano 22

Neutrino Beam Energy at J-PARC(ND280)

Neutrino Beam Energy at Super-K

Ratio (SK/ND280)

Neutrino Beam Energy

MCに用いられた値:sin2(2θ

13)=1.0

Δm2

23=2.7x10-3eV2

Takatomi Yano 23

Used Data : run 31 – 34, 2470 subruns2.556e+19 POT

All Data : run 31 – 34, 2672 subruns2.88e+19 POT

Takatomi Yano 24

FGD – TPC( True Mom – Rec Mom ) / Rec Mom, Sigma: 0.09

Takatomi Yano 25

FGD – TPC( True CosTheta – Rec CosTheta ) / Rec CosTheta, RMS: 0.02

Takatomi Yano 26

FGD – SMRD( True CosTheta – Rec CosTheta ) / Rec CosTheta, Sigma: 0.51

Takatomi Yano 27

FGD – SMRD( True CosTheta – Rec CosTheta ) / Rec CosTheta, Sigma: 0.03

Takatomi Yano 28

sqrt(1/3953.+1/1010.)=3.52572182099858203e-02

sqrt(1/530.+1/126.)=9.91125642355101394e-02

Takatomi Yano 29

TN15 Criteria MC

Cut History---------------------- : ----------------------Total Spills : 1346319 (100%)---------------------- : ----------------------At Least 1 Track in FGD: 131719 (9.78364%)---------------------- : ----------------------No Track in TPC1 : 70834 (5.26131%)---------------------- : ----------------------At Least 1 Track TPC2 : 41470 (3.08025%)Within FGD1 FV : 5790 (0.430062%)q < 0 and p > 50 MeV/c : 3547 (0.263459%)PID Cut : 2160 (0.160437%)---------------------- : ----------------------At Least 1 Track TPC3 : 19181 (1.4247%)Within FGD2 FV : 4162 (0.309139%)q < 0 and p > 50 MeV/c : 2703 (0.20077%)PID Cut : 1793 (0.133178%)---------------------- : ----------------------SMRD Hit : 1003 (0.0744994%)---------------------- : ----------------------

Takatomi Yano 30

TN15 Criteria Data

Cut History---------------------- : ----------------------Total Spills : 896109 (100%)---------------------- : ----------------------At Least 1 Track in FGD: 64635 (7.21285%)---------------------- : ----------------------No Track in TPC1 : 25509 (2.84664%)---------------------- : ----------------------At Least 1 Track TPC2 : 15667 (1.74834%)Within FGD1 FV : 1564 (0.174532%)q < 0 and p > 50 MeV/c : 948 (0.105791%)PID Cut : 664 (0.0740981%)---------------------- : ----------------------At Least 1 Track TPC3 : 6242 (0.696567%)Within FGD2 FV : 879 (0.0980907%)q < 0 and p > 50 MeV/c : 514 (0.0573591%)PID Cut : 346 (0.0386114%)---------------------- : ----------------------SMRD Hit : 231 (0.0257781%)---------------------- : ----------------------

Takatomi Yano 31

SMRD Criteria MC

Cut History---------------------- : ---------------------- Total Spills : 1346319 (100%)---------------------- : ---------------------- At Least 1 Track in FGD: 131719 (9.78364%)---------------------- : ---------------------- No Track in TPC1 : 70834 (5.26131%)---------------------- : ---------------------- No Track in TPC2 : 29364 (2.18106%)Within FGD1 FV, No TPC : 5109 (0.379479%)1 or 2 Track Required : 1878 (0.139491%)At Least 1Track in SMRD: 459 (0.034093%)---------------------- : ---------------------- No Track in TPC3 : 10183 (0.756359%)Within FGD2 FV, No TPC : 1673 (0.124265%)1 or 2 Track Required : 711 (0.0528107%)At Least 1Track in SMRD: 149 (0.0110672%)---------------------- : ---------------------- SMRD Hit in The Track : 530 (0.0393666%)---------------------- : ----------------------

Takatomi Yano 32

SMRD Criteria Data

Cut History---------------------- : ---------------------- Total Spills : 896109 (100%)---------------------- : ---------------------- At Least 1 Track in FGD: 64635 (7.21285%)---------------------- : ---------------------- No Track in TPC1 : 25509 (2.84664%)---------------------- : ---------------------- No Track in TPC2 : 9842 (1.0983%)Within FGD1 FV, No TPC : 1636 (0.182567%)1 or 2 Track Required : 762 (0.0850343%)At Least 1Track in SMRD: 119 (0.0132796%)---------------------- : ---------------------- No Track in TPC3 : 3600 (0.401737%)Within FGD2 FV, No TPC : 677 (0.0755488%)1 or 2 Track Required : 320 (0.0357099%)At Least 1Track in SMRD: 33 (0.00368259%)---------------------- : ---------------------- SMRD Hit in The Track : 126 (0.0140608%)