super-k gd プロジェクト：nakahata_s/tokusui/talk/...super-k gd プロジェクト：...
TRANSCRIPT
Super-K Gd プロジェクト： Gdを用いた中性子検出による
T2K実験の高精度化の研究
中島 康博，阿久津 良介，奥村 公宏，Ka Ming Tsui， 他Super-Kamiokande and T2K collaborations
東京大学宇宙線研究所
2018年3月21日日本物理学会 第73回年次大会（2018年）
T2K実験• 茨城県東海村のJ-PARCで生成したニュートリノを、295km離れたスーパーカミオカンデ(SK)で測定
• 主目的の一つ：νμ→νe 及び νμ→νe を観測しニュートリノセクターでのCP対称性の破れの探索
• 最新結果：CP対称性の破れを95%CLで示唆
• 今後、さらに統計量を増やすとともに、系統誤差の削減が重要に
• 反ニュートリノモードのデータに約30%含まれる”wrong sign”(ニュートリノ)イベントの理解
• ニュートリノ原子核反応のより高度な理解
!2
THE T2K EXPERIMENT
8
~500 researchers, 62 institutes, 11 countries
In 2013 T2K made the first discovery of an appearance mode: νμ→νe (Phys. Rev. Lett. 112, 061802 (2014))
Muon (anti)neutrino beam generated at J-PARC and detected at Super-Kamiokande
OBSERVED SPECTRA
40
Neutrino CCQE 1 μ-like ring Antineutrino CCQE 1 μ-like ring
Neutrino CCQE 1 e-like ring Antineutrino CCQE 1e-like ring Neutrino CC1π 1e-like ring
T2K Preliminary
SKで観測された νe 候補事象—
本研究の目的• Super-K Gd (SK-Gd)では、Gdによる中性子捕獲を用いてニュートリノ反応により生じた中性子を高効率で検出可能に
• ニュートリノ・反ニュートリノ反応の弁別によるwrong sign イベントの測定
• 中性子数を用いた、ニュートリノ反応再構成精度の向上
• SKでのT2Kビームイベントに対し、現実的なSK-Gdの検出器応答をシミュレーション
• T2Kでのニュートリノ振動測定感度を現実的に評価
• 中性子タグによる感度向上
• Gd導入による悪影響
!3
νl
l-
p
νl
l+
n
→これを用い
0 0 0.02 0.20
102030405060708090
100
Gadolinium sulfate concentration [%]
Ca
ptu
re o
n g
ad
olin
ium
[%
]
期待されるT2Kへの影響：
シミュレーションの構築• 現在のSK用の検出器シミュレーション(Geant3ベース)を元に改良を行い、SK-Gdでの現実的な応答を導入 (前回の学会で報告）
• Geant4ベースのGdと中性子の相互作用 (Ka Ming Tsui, 日本物理学会2017年年次大会)
• Gd導入による透過率の減少 (EGADS等での実測値に基づく予測）
• アフターパルスなど、より現実的なバックグラウンドのシミュレーション
• このプログラムを用い、T2Kのビームイベントを生成：
!4
Gdと中性子の相互作用のみ変更し、その他は従来と同じ検出器シミュレーション
• 水質の変化が無いので、従来のイベント再構成アルゴリズムを使用可能
• 中性子タグによる効果をより直接的に評価
サンプル1
上記の全てのシミュレーションの変更を追加
• 水質の変化により、イベント再構成の性能が変化
• より現実的な条件下での感度評価
サンプル2
(いずれも、Gd2(SO4)3の濃度0.2%を仮定)
New water transparency• SKDETSIM with new water transparency:
/disk01/lowe4/pweather/skdetsim/mixed/GdCapture_skdetsim-v13p90_kmtsui/trunk/
2
Absorption coefficient (1/m)
Wavelength (nm)
water
Mixed case for extra Gd effect,Set DS-GDSCATFRAC 0.1
Scattering coefficient (1/m)
— Pure water — Gd (0.1%) loaded water
波長(nm)
光の吸収度 (1/m)
T2K実験への影響
• 水質低下による、イベント再構成・選択への影響
• 中性子タグを用いたニュートリノ振動解析の改善
!5
イベントセレクション
• 再構成した反応点およびエネルギーによりイベント選択を行っている
• これらに対する影響をシミュレーション（サンプル2）により評価した
!6
νe CC0π セレクション
1-Ring, トラックが内水槽内, 反応点がFiducial Volume内, Evis > 30 MeV
PID: e-like
Evis > 100 MeV, Εrec < 1.25 GeV
#(decay-e) = 0
π0 rejection by kinematics
Basic cut
PID
エネルギー
μ decay-e
π rejection
（現在のニュートリノ振動解析に用いている 電子ニュートリノ選択の例）
イベント再構成への影響
!7
|Vrec-V| [cm]0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
|Vrec-V| [cm]0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000
200
400
600
800
1000
1200
P [MeV]0 200 400 600 800 1000 1200 1400
V [c
m]
δ
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
P [MeV]0 200 400 600 800 1000 1200 1400
V [c
m]
δ
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
(Prec-P)/P-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
2000
4000
6000
800010000
12000
14000
16000
18000
20000
(Prec-P)/P-0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.50
200
400
600
800
1000
1200
1400
P [MeV]0 200 400 600 800 1000 1200 1400
P /P
δ
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
P [MeV]0 200 400 600 800 1000 1200 1400
P /P
δ
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
— 純水でのシミュレーション — Gd水溶液でのシミュレーション
反応点分解能 運動量分解能
反応点分解能にはほぼ影響なし 運動量は少しシフトしているが、再構成アルゴリズムの再調整により修正可能 運動量分解能自体にはほぼ変化無し
粒子識別(PID)への影響
!8
PID parameter-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
2000
4000
6000
8000
10000
12000
PID parameter-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 200
100
200
300
400
500
P [MeV]0 200 400 600 800 1000 1200 1400
mis
-PID
Pro
b.
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
P [MeV]0 200 400 600 800 1000 1200 1400
mis
-PID
Pro
b.
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
ElectronMuon
— 純水でのシミュレーション — Gd水溶液でのシミュレーション
僅かに電子とミューオンの分離が悪化しているが、 最終的なサンプルへの影響は無視出来る量
ニュートリノ振動測定への影響
• 従来のサンプルから、中性子タグを用いてさらにν-likeとν-likeに細分化
• これらを、現在T2K実験で用いられている振動解析のフレームワークに導入し、感度の変化を見積もる
!9
νe CC0π セレクション
1-Ring, トラックが内水槽内, 反応点がFiducial Volume内, Evis > 30 MeV
PID: e-like
Evis > 100 MeV, Εrec < 1.25 GeV
#(decay-e) = 0
π0 rejection by kinematics
n-tag Yes No
νe-like サンプル
νe-like サンプル
Basic cut
PID
エネルギー
μ decay-e
π rejection
現在のT2K振動解析でのカット
サンプル1(Gdと中性子の相互作用のみを導入)のシュミレーションを用い評価を行った。
中性子タグ手法• Step1: Initial-selection
• 1 < dt < 200 (μsec)
• 7 < N10 < 50, N200 < 140
• Step2: Boosted Decision Tree (BDT) による多変数解析
!10
SK-Gd用に開発した中性子タグ手法を使用（詳細はK. M. Tsuiの前回の学会講演で報告）
NXX: XXナノ秒の時間幅内のヒット数
Step 2: Multivariate analysis with TMVA▪ Training outputs
12
12 Classifier output (BDT)
SignalBackground
Best one: BDT
JPS 2017 Autumn Meeting
K.M. Tsui
検出器内でほぼ一様かつ80%以上の検出効率c.f. 現在のSK(H-tagのみ)では平均20%程度
R2 [cm2]
Z [c
m]
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Number of tagged neutrons (all)
中性子検出効率 (Gd+ H)
x 103
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Number of tagged neutrons
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
νe : νe = 0.69 : 0.31
期待される反電子ニュートリノサンプル
!110 200 400 600 800 1000 1200
CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
νe : νe = 0.82 : 0.18 νe : νe
= 0.40 : 0.60
中性子情報なし
中性子検出中性子不検出Work in progress
1021 POT 検出された中性子数の分布
中性子の情報により、wrong signやNCのイベントを強力に分離できると期待
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
期待される反電子ニュートリノサンプル
!12
δCP = -1.6 δCP = 0 δCP = +1.6w/ tagged neutron
w/o tagged neutron
w/ tagged neutron
w/o tagged neutron
w/o tagged neutron
w/ tagged neutron
中性子タグされたイベントの割合もδCPに感度を持つ
δCPの値による変化 Work in progress
13θ22sin0 0.05 0.1 0.15 0.2
CP
δ
-3
-2
-1
0
1
2
3
振動パラメター測定への影響
• 反ニュートリノモードデータの解析において、中性子タグを用いることで、δCP, sin22θ13
測定精度が向上(現時点では統計誤差のみでの評価)
• 系統誤差を含めた影響評価を現在行っている
!13
— Δχ2 = 2.30 — Δχ2 = 4.61
Work in progress
原子炉実験による制限
sin2θ12 = 0.304sin2θ13 = 0.0217sin2θ23 = 0.528Δm212 = 7.53 x 10-5 eV2Δm223 = 2.51 x 10-3 eV2δCP = -1.601
True oscillation parameters:Normal
Hierarchy を仮定
反ニュートリノモードビームのみを用いた解析での感度（統計誤差のみ）
5x1021 POT (RHC only)
実線：中性子タグを用いた場合 破線：中性子タグを用いなかった場合
• 原子炉実験の制限によらない加速器実験単独でのCP非保存探索
• 反ニュートリノデータのみを用いたCP非保存パラメターの測定
に対するインパクトが期待
まとめ• SK-Gdでは、ニュートリノ反応により生じた中性子を高効率でタグすることにより、T2Kのニュートリノ振動測定においても感度の向上が期待。
• Gd導入後の現実的なシミュレーションを構築し、T2Kへの影響を調べている。
• 水質低下による悪影響はほぼ無視出来ることを確認
• 反ニュートリノモードのデータにおいて、振動測定の感度向上が期待できることを確認
• 今後：系統誤差による影響の評価を行ってゆく
!14
Backup Slides
!15
中性子タグ性能
!16
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Number of tagged neutrons
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
Efficiency for #n >= 1
νe CC: 0.83 νe CC: 0.40 Other CC: 0.70 NC: 0.42
νe 出現サンプル： 検出された中性子数の分布
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Number of tagged neutrons (all)検出器内でほぼ一様かつ80%以上の検出効率
中性子検出効率 (Gd+ H)
c.f. 現在のSK(H-tagのみ)では平均20%程度
Work in progress
R2 [cm2]x 103
Z [c
m]
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν CCeν
Other CCNC
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
νe : νe = 0.69 : 0.31
期待される電子ニュートリノサンプル
• 中性子の情報により、wrong signやNCのイベントを強力に分離できると期待
• 生成中性子数はエネルギーと相関があり、分離能力はニュートリノエネルギーにも依存
!17
νe appearance sample
0 200 400 600 800 1000 1200CCQEνE
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
νe : νe = 0.82 : 0.18
νe : νe = 0.40 : 0.60
中性子情報なし
中性子検出 中性子不検出 Work in progress
1021 POT
Decay-e と n-Gd の分離• Gdによる中性子捕獲は、エネルギー(~8 MeV)と時間(~30 μsec)が比較的ミューオンのdecay-eに近い。
• 従来のdecay-e選択ではn-Gdイベントが混入
• シンプルなカットにより、n-Gdとdecay-eを効率的に分離できることを確認
!18
0 50 100 150 200 250 300 350 4000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
ヒット数
dt (μ
sec)
n-Gd
Decay-e
dt > 1 μsec かつヒット数50以下の事象をdecay-eサンプルから除去
n-Gd rejection efficiency ~ 97% Loss of decay-e events ~3%
Work in progress
Decay-e tagging efficiency study
• Efficiencies are calculated for 3 different combinations of MC and muechk 1. pure-water with normal muechk2. Gd-water with normal muechk3. Gd-water with modified muechk
• Fake rate increased to 3.1% due to Gd gamma contamination for 2
• Using modified muechk, fake rate is reduced to 0.14% while efficiency is not so much decreased. seems reasonable
19
pure-water MC with normal muechk
Gd-water MC with normal muechk
Gd-water MC with modified muechk
# dcy efficiency # dcy efficiency #dcy efficiencyTrue decay-e 137680 19960 19960Tagged 132927 96.5% 19234 96.4% 19161 96.0%Fake 59 <0.1% 623 3.1% 28 0.14%
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4Number of tagged neutrons (all)
中性子タグの性能
!20
Initial-selection後 0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4Number of tagged neutrons (all)
中性子検出効率 (Gd+H) バックグラウンド / イベント
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Number of tagged neutrons (all)
0 500 1000 1500 2000 2500310×
1500−
1000−
500−
0
500
1000
1500
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Number of tagged neutrons (all)
BDT によるカット後
検出器内でほぼ一様かつ80%以上の検出効率
中性子検出効率 (Gd+ H) バックグラウンド / イベントR2 (cm2) R2 (cm2)
R2 (cm2)R2 (cm2)BDTによりバックグラウンドを効率的に除去
Z (c
m)
Z (c
m)
Z (c
m)
Z (c
m)
壁面から2m Work in progress
c.f. 現在のSK(H-tagのみ)では平均20%程度
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Number of tagged neutrons
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Num
ber o
f eve
nts CCeν
CCeνOther CCNC
タグされた中性子数
!21
Efficiency for #n >= 1
νe CC: 0.83 νe CC: 0.40 Other CC: 0.70 NC: 0.42
νe appearance sample
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5Number of tagged neutrons
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Num
ber o
f eve
nts CCµν
CCµνOther CCNC
νμ disappearance sample
νμ CC: 0.84 νμ CC: 0.48 Other CC: 0.54 NC: 0.67
Efficiency for #n >= 1
Work in progress
1021 POT
0 500 1000 1500 2000 2500 3000CCQEνE
0
2
4
6
8
10
Num
ber o
f eve
nts CCµν
CCµνOther CCNC
0 500 1000 1500 2000 2500 3000CCQEνE
0
2
4
6
8
10
Num
ber o
f eve
nts CCµν
CCµνOther CCNC
0 500 1000 1500 2000 2500 3000CCQEνE
0
2
4
6
8
10
Num
ber o
f eve
nts CCµν
CCµνOther CCNC
νμ : νμ = 0.61 : 0.39
期待されるミューニュートリノサンプル
• 同様にwrong signやNCのイベントの強力な分離を期待
• 今後、これらのシミュレーション結果から、T2Kでのニュートリノ振動測定に対する効果、系統誤差の影響を研究
!22
νμ disappearance sample
νμ : νμ = 0.73 : 0.27
νμ : νμ = 0.32 : 0.68
中性子情報なし
中性子検出 中性子不検出Work in progress
1021 POT
13θ22sin0 0.05 0.1 0.15 0.2
CP
δ
-3
-2
-1
0
1
2
3
13θ22sin0 0.05 0.1 0.15 0.2
CP
δ
-3
-2
-1
0
1
2
3
!23
— Δχ2 = 2.30 — Δχ2 = 4.61
Normal Hierarchy を仮定
5x1021 POT (RHC only)
実線：中性子タグを用いた場合 破線：中性子タグを用いなかった場合
反ニュートリノモードビームのみを用いた解析での感度（統計誤差のみ）
ニュートリノモードビームのみを用いた解析での感度（統計誤差のみ）
5x1021 POT (FHC only)
— Δχ2 = 2.30 — Δχ2 = 4.61
Normal Hierarchy を仮定