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T2K 実験前置 on-axis 検出器 INGRIDによるニュートリノビーム測定

　　　　京都大学 : 大谷　将士 2011/2/20

目次

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ニュートリノ振動 T2K 実験 ニュートリノビームモニター INGRID RUN2010(2010/1~2010/6) の結果

INGRID によるビーム方向測定結果etc.

Current status

ニュートリノ振動

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飛行中にニュートリノのフレーバー (e, μ, τ) が変化

ニュートリノ振動⇒混合角 θ とニュートリノ質量二乗差の決定

ニュートリノ振動の例

νμ 消失確率

:i 番目のニュートリノ質量

これまでの実験結果

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Δm2

θ12 = 34±1°θ23< 45±18°θ13< 12°

7.06.04.0

7.06.04.0

21.055.08.0

MNSU

混合角

T2K 実験

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茨城県 J-PARC で νμ ビーム生成⇒ Super-Kamiokande で観測νμ 消失モードの精密測定 (θ23, Δm2

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νμ ν⇒ e モードの発見 (θ13 の発見 ) 2010/1 ~ 6 月 : first physics run, 2010/11 ~ now: second run

実験原理

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前置検出器(ND)

Super Kamiokande(SK)

イベ

ント

数

Eν

295km

ν ビーム

振動パラメーター sin22θ,Δm2 の決定

外挿

SK 予測 SK 観測

ND 観測

T2K 実験の特徴

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295km

ν ビーム

p

π→νμ+μ

1.0

0 2.0 4.0Eν[GeV]

0

シグナル / バックグラウンド の増加

オフアクシス角度と予測イベント数に強い相関

・大強度ビーム・オフアクシスビーム　 ( ビーム中心を故意にずらす )

⇒ν ビーム方向の測定・モニターが必須

ビームモニター’ s

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ν ビーム

p

π→νμ+μ

陽子ビームモニター’ s

MUMON

INGRID

強度モニター (CT) ・位置モニター (ESM) ・プロファイルモニター (SSEM, OTR)

→ 陽子標的に照射した陽子数を勘定→ 陽子標的にロスなく陽子を照射

μ 強度・プロファイルモニター→ 間接的に ν ビーム強度・方向をモニター

ν を観測し、 ν ビーム方向を直接モニター 要求精度 << 1mrad

ニュートリノビームモニター「ＩＮＧＲＩＤ」

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前置検出器ホール ( 陽子標的から下流 280m) に設置 ビーム中心 ±10m に同一構造の 16 台のモジュール

Off-axis 検出器

INGRID

ビーム中心SK

方向

~10m

ビーム中心

INGRID モジュール

10

~1m3, 総重量 ~10ton 鉄 9 枚とシンチレータートラッカー 11 枚のサンドイッチ。

トラッカー : 縦横 24 枚のシンチレーター ( 長さ 120cm, 幅5cm, 厚み 1cm)

シンチレーター + ファイバー + MPPC 読み出し総チャンネル数 ~10’000

周りをシンチレーター VETO トラッカーで覆う

ν bea

m

トラッカー

VETO

ビーム方向の測定原理

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鉄で ν 反応⇒ μ 飛跡を検出⇒ ν イベントを同定 一定期間での各モジュールでのイベント数からプロファイ

ルを再構成⇒ビーム中心を測定⇒陽子標的とを結んでビーム方向を同定

ビーム中心測定の要求精度 << 28cm (=280m x 1mrad)

ν

μ

シンチレーターエネルギー損失

ν 反応例

-5m +5m0mイ

ベン

ト数νμ

n

μ

p

W±

プロファイル再構成

T2K & INGRID history

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2004 Proto-type test @ K2K

…

2008 Aug. ~ Dec

Assembly of scintillator plane

2009 Apr.~ May

First beam commissioning

With 1 module

2009 Jun.~ Oct,

Assembly and installation of all* modules

2009 Nov. ~ Resume beam commissioning

T2K first neutrino at INGRID(Nov. 22nd )

2010 Jan. Start physics run

* Not include shoulder and proton modules

INGRID 組織図

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A.M.

T.N

M.Y

A.K.I

プレッシャー

村上くんフランス人達

プロトタイプ試験

建設

インストール

シフトアレンジ

先輩方

基本デザインの決定 鉄・構造体作り

scinti. plane 試験(3 カ月でビームテスト3 回 @Fuji beam test)

コミッショニング・インストール後試験・エレキ読み出し試験・オンラインモニター開発・整備

MC の開発・整備ν ビーム simulationν 反応 simulation

・製作 ( 全 ~10’000ch)・製作即座に試験

キャリブレーション・ MPPC ゲイン・宇宙線光量

データ解析・データ構造の整備・解析手法の開発・確立・整備

T2K その他約 500人

MPPC 試験

エレキ

(INGRID の親 )

俺

Run 2010(Jan.-Jun.) summary

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Delivered POT

Total POT = 3.28x1019

(Max. intensity = 100kW)

target

target

p beam position @ Target

Well controlled p beam

MUMON center

Within 1 mrad

X centerY center

INGRID data taking summary

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2009 年 9 月に全モジュールのインストール完了⇒ 11 月 22 日に T2K 初ニュートリノ観測⇒ 99% 以上の物理データを取得

期間 Good spill

INGRID efficiency

1/23 ~ 2/5 26813 26813 100%

2/24 ~ 2/28 59256 59070 99.7%

3/19 ~ 3/25 86980 86935 99.9%

4/14 ~ 5/1 237350 236647 99.7%

5/9 ~ 6/1 350079 350012 99.9%

6/7 ~ 6/26 246504 246410 99.9%

Data taking efficiency

T2K first neutrino

INGRID detector performance

16全チャンネル (~10’000) が安定して動作

MPPC ゲイン分布 ゲインヒストリー

ゲイ

ン宇宙線光量 全チャンネルの平均光量分布

…

イベントセレクション

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Reject accidental noise event

Signal(ν interaction within module)

Hit timing clustering

Activity & PE cut

XZ and YZ Tracking & track matching

Beam timing cut

Upstream VETO

Fiducial cut

Reject background

イベントレートのモニター結果

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1 日毎にイベントレートを測定 ( 統計誤差 ~1.7%/day)

平均値イベ

ント

数/1

014

pot

Integrated day

・イベントレートは安定

MC expectation

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INGRID

Super Kamiokande(SK)

295km

ν ビーム

( イベント数 = ν ビームフラックス x 反応断面積 x 検出効率 )

フラックス不定性 ~ 20%

断面積不定性 ~ 20%検出効率の不定性 < 5%

DATA/MC

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Vertex X # of active planes

Track angle

Normalized by potNormalized

by pot

Normalized by pot

MC で data を非常に良く再現

data/MC = 1.073±0.001(stat.)±0.040(syst.*)*only detector error

ν ビームプロファイル

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ビームプロファイルを観測

水平方向 垂直方向

南北

中心 : 0.1 +- 2.9 cm 中心 : -10.9 +- 3.2 cm

2009 年 4 月のデータ

下 上

ビーム中心・方向の測定

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水平方向 垂直方向 約 1 月毎にビーム中心を測定 ( 統計誤差 ~4.2cm)

・ビーム中心は安定・ X center = 0.2 ± 1.4(stat.) ± 9.2 (syst.) cm 　 Y center = -6.6 ± 1.5(stat.) ± 10.4 (syst.) cm　⇒ 要求精度 (<<28cm) で測定

Comment to physics result

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Will be officialized and published soon.( expected νμ events at SK(FCFV μ like) ~ 28 w/o osc. and 6 w/ osc. Observed νμ events = ?, νe events(FCFV e like) = ? )

preliminary

+ NND error(~5%)+ NSK error+ cross-section error…

Current status

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2010/11 月からビーム運転再開

Delivered POT & intensity history

Intensity 100kW 135kW⇒

Beam center measured by INGRID

Beam direction within 1mrad

まとめ

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T2K 実験は大強度 (→高統計 ) オフアクシス (→低バックグラウンド ) ニュートリノビームにより、ニュートリノ振動解析(νμ→ νx モードの精密測定、 νμ→ νe モードの発見 ) を行う。

2010/1 ~ 2010/6 : First physics runINGRID によってニュートリノビーム方向をモニター・測定

→ビーム方向による振動解析の不定性 : negligibleFirst result will be officialized soon

2010/11 ~ now : second physics run with higher intensity(100kW→135kW) and well controlled neutrino beam(δ(direction) << 1mrad)

バックアップ

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31

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前置検出器

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Off-axis 検出器 ( スペクトル測定 )

INGRID( 方向測定 )

Off-axis

( スーパ

ーカ

ミオ

カン

デの

方向

)

ビーム中心

ビーム生成点から 280m 位置、地下 ~30m ν 反応を捉えて、ビーム方向、スペクトル等を測定

ν 反応 1

34

n

νμW

μ

p

CCQE(荷電カレント準弾性散乱 )

前置・後置検出器で主にこの反応を選択 μ のエネルギーと方向を測定

⇒ νμ のエネルギーが決定 ν ビームは主に νμだが、 ~1% の νe を含む

⇒ νμ→νe 振動のバックグラウンド

p

μνμ

n

νeW

e

p

イベントディスプレイの例

ν 反応 2

35etc.

n

νμW

μ

pπ

p

μπ

CC1π(荷電カレント 1π 反応 ) νμ

π をミスると CCQE と誤認識⇒後置検出器でのバックグラウンド源

NC( 中性カレント反応 )

p

νμZ

νμ

p

pνμ

Off-axis 検出器

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νUA1 マグネット

TPC

FGD

・ μ,e運動量測定・ μ/e識別

・ ν 標的・ ν 反応識別

CCQE 反応からビーム νμ,νe のエネルギースペクトルを測定 CC1π 反応断面積の測定⇒後置検出器での BG 数予測

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 tonFGD2: シンチレーター 0.5ton + 水0.5ton

184c

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

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

イベントディスプレイの例

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後置検出器スーパーカミオカンデ

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水チェレンコフ検出器 , fiducial mass = 22.5kton リングイメージから μ/e選別

μ-like ring

e-like ring

Light yield with cosmic

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Mean light yield = 23.1 ± 2.2 PE/1cmSufficient for track finding

Typical light yield of a channel

Mean light yield of all channel

*not include VETO

Using inter-spill cosmic data

Light yield stability

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Mean light yield is stable

Channel efficiency with beam-induced muon

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Efficiency map(module# 2)

Efficiency of all channel

100

98

96

Channel ID

Effi

cien

cy[%

]

Efficiency[%]

Channel efficiency is 98.0% ± 0.5% during 2010a

*inefficiency mainly comes from the gap btw scintillator

Use ~1e6 dirt muon events to measure hit efficiency

*not include VETO

Dimension of scintillator bar of MC The edge area is reflective

material. So the area is not efficient.

Due to this inefficient area, the hit efficiency is dependent on track angle (studied by Christophe, Matsumura-san, Otani-san).

After change MC, reproduce the angle dependency.

Photo : surface of scintillator bar

white area : the reflective material.

Previous MC(simple box)

Scintillator bar

New MC (octagon)

MC setting

Angular dependence of hit efficiency:DATA and MC

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Angular dependence is well reproduced in MC

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