t2kニュートリノ振動解析のための複数粒子同時検...

T2Kニュートリノ振動解析のための複数粒子同時検出事象サンプルの

開発Jun. 11, 2019東京工業大学吉田朋世

Super‐Kamiokande J‐PARCNear Detectors

Neutrino Beam

295 km

Mt. Noguchi‐Goro2,924 m

Mt. Ikeno‐Yama1,360 m

1,700 m below sea level

nµ nµ nµ nµ nµnµ nµ nµ nµ nµ

nt nt nt nt ntnt nµ nµ nµ ne

T2K実験

J-PARCで nµ ビームを生成しスーパーカミオカンデで観測

22019/6/11 ニュートリノ若手研究会

J-PARCNear DetectorsSuper-

KamiokandeTOKYO

KEK

JAERI

NARITA

60km

JAEA

J‐PARCJapan Proton Accelerator Research Complex

• Located in Tokai‐village, 60km N.E. of KEK

• Completed in 2009• MR

– 1567.5 m circum.– Tp = 30GeV– 8 bunch (h#=9)– Rep cycle: 2.48sec (to

be upgraded)• Design goal

– RCS: 1MW– MR: 750kW

1

Joint project of KEK & Japan Atomic Energy Agency (JAEA)

400 MeV LINAC

T2Kにおける振動測定

• nµ 消失チャンネル → q23, Dm232

• ne 出現チャンネル → q13, dCP

3

q23

Dm232

q13

dCP


νµ µ−

W±

νµ µ−

n

W±

(a)

(b)

n p

π+

n

∆+

nµ CC

荷電カレント準弾性散乱 (CCQE)

• T2K はこれまで nµ の解析にCCQEらしいイベントのみを用いてきた• T2Kビームのエネルギー領域では最大の反応断面積• ニュートリノ入射エネルギーの再構成が比較的容易

2019/6/11 ニュートリノ若手研究会 4

Super-Kamiokande IVRun 999999 Sub 0 Event 78 14-02-20:11:23:04Inner: 1862 hits, 3944 peOuter: 4 hits, 5 peTrigger: 0x07D_wall: 884.1 cmEvis: 451.7 MeVmu-like, p = 602.0 MeV/c

Time(ns) < 970 970- 981 981- 992 992-10031003-10141014-10251025-10361036-10471047-10581058-10691069-10801080-10911091-11021102-11131113-1124 >1124

1 mu-edecay

0 500 1000 1500 20000

76

152

228

304

380

Times (ns)

CCQECC

QE

振動領域

23θ2sin0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65

)2 (e

V322

m∆

2.12.22.32.42.52.62.72.82.9

33.1

3−10×68% credible interval90% credible interval95.45% credible intervalMaCh3 best fit

T2K Run 1-9d preliminary

23θ2sin0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.65

)2 (e

V322

m∆2.9−

2.8−

2.7−2.6−2.5−

2.4−

2.3−2.2−

2.1−2−

1.9−3−10×

68% credible interval90% credible interval95.45% credible intervalMaCh3 best fit


13θ2sin16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

3−10×

CPδ

3−

2−

1−

0

1

2

3 68% credible interval90% credible interval95.45% credible intervalMaCh3 best fit


現在の測定結果

• より精密な測定には統計量の増加が不可欠2019/6/11 ニュートリノ若手研究会 5

Normal hierarchy

Inverted hierarchy

nµ CC

荷電カレント1p生成反応 (CC1p+)

• CC1p+ 反応も振動解析に用いることができれば、統計量を増加させることができる• CCQEに次いで断面積が大きい• 複数のチェレンコフリング


Super-Kamiokande IVRun 999999 Sub 0 Event 24 14-02-20:11:23:04Inner: 1324 hits, 3238 peOuter: 4 hits, 3 peTrigger: 0x07D_wall: 603.5 cmEvis: 319.5 MeV

Time(ns) < 950 950- 964 964- 978 978- 992 992-10061006-10201020-10341034-10481048-10621062-10761076-10901090-11041104-11181118-11321132-1146 >1146

1 mu-edecay

0 500 1000 1500 20000

68

136

204

272

340

Times (ns)

νµ µ−

W±

νµ µ−

n

W±

(a)

(b)

n p

π+

n

∆+

CC1p+CC

Resonantp production

振動領域

事象再構成

• ニュートリノ反応の位置と時刻• チェレンコフリングの数• 粒子識別 (e/µ,p)• 粒子の運動方向



Time(ns) < 950 950- 964 964- 978 978- 992 992-10061006-10201020-10341034-10481048-10621062-10761076-10901090-11041104-11181118-11321132-1146 >1146

1 mu-edecay

0 500 1000 1500 20000

68

136

204

272

340

Times (ns)

PMT 信号 (電荷と時刻)

PMT信号から粒子の情報を取り出す

• 各PMT信号の時刻とリングの形→ 粒子が生成された位置と進行方向

• リングの輪郭のぼやけ方→ 粒子の識別 (e.g. 電子とミューオン)

• 光量→ 粒子の運動量

8

Simulated e-

Simulated µ-2019/6/11 ニュートリノ若手研究会

1. 様々なイベントトポロジーを仮定し尤度が最大になるq を探す

2. 異なるイベントトポロジーでの尤度を比較して最終的なリング数や粒子識別の判定を行う

G: イベントトポロジー (リングの数と形): 粒子の生成位置、時刻、運動量、方向

最尤法を用いた事象再構成


PMTが鳴らない確率 PMTが鳴る確率 PMT charge pdf

PMT timing pdf

PMTの光電面で光電子がいくつできるのか別口で計算: 光電子数の Poisson mean

そうすると、Pi(unhit) と fq(qi) は µi の関数になる

検出器の光電子応答


光子光電子

エレキ電荷と時刻 (q, t)

検出器モデル

各PMTの光電子数の予測荷電粒子の飛跡に沿って積分


Normalization(物理モデル×検出器モデル)

Cherenkov emission profile(物理モデル)

光源から見たPMTの立体角(h=0) ~ R-2

水中での光の減衰~ exp(-R/Lattenuation)

PMTの角度応答

0 1 cosh

1

時間応答

光電子を検出した時刻から光子の飛行時間 (TOF) を差し引くと、PMT+エレキの時間応答が見える→ tres 分布を再現するような(x, t)を探す


光子 (速度 cn)荷電粒子(生成位置 x,生成時刻 t,方向 d速度 c)

PMT(位置 Ri, 信号検出時刻 ti)

smid

様々なニュートリノイベントからnµ CC1p+を選別する


Super-Kamiokande IVRun 999999 Sub 0 Event 2 14-02-16:01:13:15Inner: 1846 hits, 4133 peOuter: 2 hits, 1 peTrigger: 0x07D_wall: 1025.4 cmEvis: 442.5 MeVe-like, p = 442.5 MeV/c

Time(ns) < 947 947- 959 959- 971 971- 983 983- 995 995-10071007-10191019-10311031-10431043-10551055-10671067-10791079-10911091-11031103-1115 >1115

0 mu-edecays

0 500 1000 1500 20000

102

204

306

408

510

Times (ns)


Time(ns) < 950 950- 964 964- 978 978- 992 992-10061006-10201020-10341034-10481048-10621062-10761076-10901090-11041104-11181118-11321132-1146 >1146

1 mu-edecay

0 500 1000 1500 20000

68

136

204

272

340

Times (ns)


Time(ns) < 970 970- 981 981- 992 992-10031003-10141014-10251025-10361036-10471047-10581058-10691069-10801080-10911091-11021102-11131113-1124 >1124

1 mu-edecay

0 500 1000 1500 20000

76

152

228

304

380

Times (ns)

nµ CCQEne CCQE

nµ CC1p+


Time(ns) < 943 943- 955 955- 967 967- 979 979- 991 991-10031003-10151015-10271027-10391039-10511051-10631063-10751075-10871087-10991099-1111 >1111

1 mu-edecay

0 500 1000 1500 20000

34

68

102

136

170

Times (ns)

nµ NC1p+

nµ CC1p+ イベントの特徴

• 理想的にはµ- と p+ 由来のチェレンコフリングが2つと崩壊電子2つ• p+が酸素原子核に吸収されると崩壊電子1つ• p+が散乱するとチェレンコフリング3つ• p+の運動量が小さいとチェレンコフリング1つ


nµnµ

nµ

nµne

ne

e-

e+µ+

µ-

p+

16O

事象選別の流れ

2019/6/11 16

Fully contained, Evisible > 30 MeV, DWallfq MR > 50cm

すでに解析に使われている1-ringイベントを除く

Ndecay-e = 1

2 sharp rings v.s.1 diffused ring

2 sharp rings v.s.at least 1 diffused ring

Eloss > 300 MeV

Ndecay-e = 2

2 sharp rings v.s.1 diffused ring

2 sharp rings v.s.at least 1 diffused ring

NC1p+バックグラウンドを減らす

Nring >1 らしい

どちらのリングも輪郭がはっきりしている

ニュートリノ若手研究会

)/(e) parameterππ(-5000 0 5000

Num

ber o

f eve

nts

0

5

10

POT)2010×(14.94 CC QEµν

+π CC 1µν CC cohµν

π CC mµν CC DISµν CCµν

CCeν+eνNC


Num

ber o

f eve

nts

0

5

10

POT)2010×(14.94 CC QEµν



CCeν+eνNC

)/(other 2R fit) parameterππ(-1000 0 1000 2000

Num

ber o

f eve

nts

0

5

10 POT)2010×(14.94 CC QEµν



CCeν+eνNC


Num

ber o

f eve

nts

0

5

10

POT)2010×(14.94 CC QEµν



CCeν+eνNC

fit [GeV]ππ by 2loss+E1

lossE0 2 4 6 8 10

Num

ber o

f eve

nts

0

2

4

6

8 POT)2010×(14.94 CC QEµν



CCeν+eνNC

選別に用いた変数の分布

2019/6/11 17

崩壊電子1つ

崩壊電子2つ

!/ ! + $ が最大になるようカットを最適化


Work in progress

Work in progress Work in progress

Work in progress

Work in progress

ニュートリノモードnµイベントで~40%の統計量増加(T2K 全体では~20%)

イベント数

2019/6/11 18

1 decay-e sample

2 decay-e sample


true)/Etrue-Ereconstructed

(E-1 -0.5 0 0.5 1

Num

ber o

f eve

nts

0

1

2

POT)2010×(14.94 CC QEµν



CCeν+eνNC

true)/Etrue-Ereconstructed

(E-1 -0.5 0 0.5 1

Num

ber o

f eve

nts

0

1

2

POT)2010×(14.94 CC QEµν



CCeν+eνNC

再構成したµ- の運動量・散乱角から、D共鳴を仮定してEn を再構成

ニュートリノエネルギー再構成

2019/6/11 19

nµ

µ-

D++

p


崩壊電子1つ崩壊電子2つWork in progress Work in progress

エネルギー分布

• ニュートリノ振動への感度が期待できる

2019/6/11 ニュートリノ若手研究会 20 energy [GeV]νReconstructed

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Num

ber o

f eve

nts

0

1

2

3

4

5 POT)2010×(14.94

CC QEµν+π CC 1µν

CC cohµνπ CC mµν

CC DISµν CCµν

CCeν+eνNCWithout oscillation

energy [GeV]νReconstructed 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Num

ber o

f eve

nts

02468

1012141618202224 POT)2010×(14.94

CC QEµν+π CC 1µν

CC cohµνπ CC mµν

CC DISµν CCµν

CCeν+eνNCWithout oscillation

崩壊電子1つ崩壊電子2つ

Work in progress Work in progress

主な系統誤差の要因

• ニュートリノフラックス• ニュートリノ相互作用断面積• 原子核とpの相互作用• SK 検出器


ニュートリノフラックスと反応断面積

• 前置検出器のニュートリノ反応レート測定から制限• イベント数に±3‒4%の不定性


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Num

ber o

f eve

nts

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

22.2


Num

ber o

f eve

nts

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4イベント数の変動 (±1s)

崩壊電子1つ崩壊電子2つ

p と原子核の相互作用

• 原子核と p の反応はカスケードモデルでシミュレート (吸収、散乱、電荷交換)• p の反応断面積の不定性 → イベント数に±5‒6%の不定性


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Num

ber o

f eve

nts

00.20.40.60.8

11.21.41.61.8

22.2


Num

ber o

f eve

nts

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4崩壊電子1つイベント数の変動 (±1s)

崩壊電子2つ

SK 検出器

• SK検出器モデルの不完全性から、信号の事象選別効率や背景事象混入率に不定性がある• データとシミュレーションの比較で見積もる(on-going)• 信号: (データµ + MC p+) v.s. (MC µ + MC p+) • 背景事象: 大気ニュートリノ


まとめ

• T2K の振動解析に nµ CC1p+ イベントを取り入れることで統計量を増やし、 q23 と Dm232 の測定精度改善が期待できる• 事象選別の開発は目処がついてきた• 系統誤差の見積もりが進んでいる• 今後1年程度での振動解析実現を目指す


Back up slides


• Protons are accelerated up to 30GeV• Protons hit graphite target, and generate secondary particles dominated by p±

• Positive or negative particles are focused by 3 electro-magnetic horns• p± decay to produce nµ

27

T2K neutrino beam

Phys. Rev. D 87, 012001 (2013)

(—)


1.5m

~10m

~10m

X

Y

Beam center

• Located at 280m downstream from the target• On-axis: interaction rate and beam direction• Off-axis: spectra and interaction property

28

T2K near detectors


Super Kamiokande detector

• 50kt water Cherenkov detector with 11,000 PMTs at 1,000 m underground• PMTs detect Cherenkov light emitted from particles created by neutrino interactions


sec)µ (0T∆-400 -200 0 200 400

sec

µNu

mbe

r of e

vent

s/20

1

10

210

310

410

>30 MeVvisFC+E

OD

LE

(nsec)0T∆-1000 0 1000 2000 3000 4000 5000

Num

ber o

f eve

nts/

25 n

sec

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180 POT)2010×Run1-8 (22.29

POT)2010×Run9 (8.99

T2K event timing

• Events induced by beam n have bunch structure.• By requiring -2 ‒ 10 µs cut, atmospheric neutrino background is negligible.


Indirect charge prediction

Indirect charge is predicted similar to direct light


Cherenkov emission profile is integrates over angle.r(p,s) is the fraction of photons emitted per unit track length.

Scattering tables

Scattering tables

• FiTQun assumes that the ratioµsct/µiso,dir does not depend on species and momentum ofparent particles.• FiTQun uses 3 scattering tables Each scattering table is for top/bottom/barrel PMTs

• Each of them is a 6D table


ZPMTRvtx, Zvtx

φ

fq

RPMT

charged particle

RPMT or ZPMT

fiTQun multi-ring (MR) fitter procedure1. To seed the MR fitter, re-do 1ring fit under e- and

p+ hypotheses.2. Perform grid search to seed another ring.3. Perform 1R fit on the new ring under e- and p+hypotheses, fixing existing ring parameters.

4. Perform MR fit allowing both existing and new ring parameters to vary.

5. Accept or reject the new ring using ln(L2R/L1R) as a function of momentum of the new ring.→ In both accepted and rejected case, store theMR fit result as a raw fit result.

2019/6/11 33ニュートリノ若手研究会

Likelihood test in step 5.

2019/6/11 34

pmin(N+1)R [MeV/c]

ln(L (N

+1)R/LNR)

0

150

250

The (N+1)th ring is accepted

The (N+1)th ring is rejectedニュートリノ若手研究会

6. If the new ring is rejected in 5., check a fake ring by comparing likelihoods removing each ring in turn.→ Store the fit result with labeling as a result afterthe fake ring reduction.

7. Repeat 2.‒6. adding more rings until 5. rejects the new ring.

8. Select the best fit result after the fake ring reduction 6, and pass it to the further fit.

2019/6/11 35

fiTQun multi-ring (MR) fitter procedure


fiTQun further MR fit procedure9. Merge rings within 10 or 15 degrees depending on PID.

10. Loop through each ring and perform 1R fit with more particle hypotheses, masking PMTs outside 60 degrees cone.

11.Reduce fake rings.12.If the best fit Nring is 1, replace the result with best single-ring fit. → Store the fit result with labeling as a refitted result.

13.Perform further fit allowing to move each ring’s vertex longitudinally and energy.→ Store the fit result with labeling as the best fit result.2019/6/11 36ニュートリノ若手研究会

Events after Ndcy-e cuts

• In the optimization process, signal and backgrounds are defined by event final states.

2019/6/11 37

1−10

1

10

interaction modeν

CCQEµν

+π CC 1µ

ν CC otherµν CCQE

µν CC other

µν CCQEe

ν CC othereν CCQEeν CC other

eν 0πNC 1 ±π

NC 1 NC other

Fina

l sta

te

1e

µ1

1e+other

+π+1µ1

+otherµ1

0π1

±π1

Other

0.0 0.0 0.0 0.1 0.8 0.0 0.0 0.0

9.5 1.6 0.7 1.1 0.2

0.0 0.0 0.0 0.3 11.8 0.0 0.3 0.0 0.0 0.9

0.1 14.9 2.5 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0

11.8 16.7 94.5 0.3 7.6 0.0 0.1 1.4

0.0 0.3 1.0 0.0 0.0 0.9 0.2 2.1

0.6 0.1 0.0 0.0 0.3 4.6 1.9

0.1 1.4 12.3 0.0 0.4 0.0 0.7 0.0 0.0 0.9 2.0 37.0

0.0 0.0 0.0 0.1 0.8 0.0 0.0 0.0

9.5 1.6 0.7 1.1 0.2

0.0 0.0 0.0 0.3 11.8 0.0 0.3 0.0 0.0 0.9

0.1 14.9 2.5 0.0 0.1 0.0 0.1 0.0

11.8 16.7 94.5 0.3 7.6 0.0 0.1 1.4

0.0 0.3 1.0 0.0 0.0 0.9 0.2 2.1

0.6 0.1 0.0 0.0 0.3 4.6 1.9

0.1 1.4 12.3 0.0 0.4 0.0 0.7 0.0 0.0 0.9 2.0 37.0

1−10

1

10

interaction modeν

CCQEµν

+π CC 1µ

ν CC otherµν CCQE

µν CC other

µν CCQEe

ν CC othereν CCQEeν CC other

eν 0πNC 1 ±π

NC 1 NC other

Fina

l sta

te

1e

µ1

1e+other

+π+1µ1

+otherµ1

0π1

±π1

Other

0.0 0.1 0.0 0.0

2.0 9.6 2.4 0.2 0.2

0.0 0.0 0.0 1.8 0.0 0.0 0.4

0.3 24.8 4.0 0.0 0.1 0.0 0.0 0.0

2.6 6.8 66.4 0.0 1.7 0.0 0.0 0.7

0.0 0.0 0.1 0.0 0.0 0.0 0.2

1.3 0.1 0.0 0.0 0.0 0.3 0.5

0.0 1.5 8.9 0.0 0.1 0.0 0.2 0.0 0.0 0.1 0.3 12.1

fit [GeV]ππ by 2loss+E1

lossE0 2 4 6 8 10

Num

ber o

f eve

nts

0

2

4

6

8 POT)2010×(14.94µ1

+π+1µ1+otherµ1

1e1e+other

0π1±π1

other


Num

ber o

f eve

nts

0

5

10

POT)2010×(14.94µ1

+π+1µ1+otherµ1

1e1e+other

0π1±π1

other


Num

ber o

f eve

nts

0

5

10

POT)2010×(14.94µ1

+π+1µ1+otherµ1

1e1e+other

0π1±π1

other


Num

ber o

f eve

nts

0

5

10

POT)2010×(14.94µ1

+π+1µ1+otherµ1

1e1e+other

0π1±π1

other


Num

ber o

f eve

nts

0

5

10 POT)2010×(14.94µ1

+π+1µ1+otherµ1

1e1e+other

0π1±π1

other

選別に用いた変数の分布

2019/6/11 38

崩壊電子1つ

崩壊電子2つ

!/ ! + $ が最大になるようカットを最適化


Selection table (FS breakdown)

2019/6/11 39

1 decay-e sample

2 decay-e sample


t2kニュートリノ振動解析のための 複数粒子同時検...

Documents

t2kニュートリノ振動解析のための複数粒子同時検...