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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。

3

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

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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