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 ）


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


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


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


Super-Kamiokande 1280 日の大気ニュートリノデータ

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


e-like 事象の U/D ratio

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


Allowed Regions for Oscillation Parameters


13 について

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

2 minimum @ sin2130.02


他の実験との比較（ sin2213 ）


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


JHF-SK nu 実験の 13 search


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）


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


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


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


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


エネルギースペクトルの比較

Linear LogWBBNBBOAB


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


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


→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


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


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)


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.


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


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


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


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


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

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