T2K実験とは T2K実験 東海-神岡295km 長基線ニュートリノ振動実験 T2K実験の目的 1. νe appearanceの探索 T2K俯瞰図 νe SK 295km J-PARC θ13 の測定 (感度 sin 2θ13>0.006) P(νμ νe) = s223sin22θ13sin2(

Of-Axis前置検出器を用いたT2K実験

ニュートリノビーム測定

2011/03/26 関西高エネルギー発表会, 大阪大学

矢野孝臣，原俊雄，鈴木州，青木茂樹

A

_，家城佳

B

_{，南野彰宏}

B

_，中

家剛

B

_{，他T2K-SMRDグループ}

神大理，神大発

A

_，京大理

B

T2K実験とは

ν

μ

ν

e

J-PARC

SK

295km

T2K俯瞰図

T2K実験の目的

T2K実験

実験施設・検出器

ビーム源:　J-PARC 30GeV PS

前置検出器: ND280 Of-Axis, INGRID

後置検出器: Super Kamiokande

J-PARC, SK 二地点のフレーバー・エネルギー・フラックスを比較し

ニュートリノ振動パラメータを決定。

1. ν

_e

appearanceの探索

θ

₁₃

の測定 (感度: sin

2

_2θ

13

>0.006)

P(ν

μ

→ν

e

)　=

s

2

23

sin

2

2θ

13

sin

2

(1.267Δm

213

L/E)

2. ν

_µ

disappearanceの精密測定

θ

₂₃

, Δm

2 23

の測定

(精度:

δ(sin2_2θ 23)~0.01, δ(Δm 2 23)~10 -4_eV2

)

P(ν

μ

→ν

τ

)　=

sin

2

2θ

₂₃

sin

2

(1.267Δm

₂₂₃

L/E)

東海-神岡295km

ND280 Of-Axis検出器

Tracker

P0D

NC(ν

μ

+ n →π

0

+ν

μ

+ n)測定 (P0D)

CC(ν

μ

+ n →μ + p)測定 (

FGD, TPC

)

大角度散乱

μのE測定 (

SMRD

, ECAL)

UA1電磁石

(0.2T Dipole)

構造

ν beam

Off-Axis

SK

INGRID

目的:

ニュートリノターゲット下流280mにおける

振動前SK方向νビームのE,フラックス,フレーバー測定

Side Muon Range Detector

目的

・ν反応による大角度散乱μのエネルギー測定

・大角度生成粒子のPID

・キャリブレーション用宇宙線トリガー

・バックグラウンドイベント検出(宇宙線等)

SMRD Module

3~6層構造

鉄 : 4.8cm プラスチックシンチレータ : 0.7cm

Horizontal

Vertical

ν beam

ニュートリノ反応解析

ニュートリノ反応解析で重要なパラメータ

・反応数 N : ニュートリノフラックスの決定

・ミューオン運動量 p

　ミューオン放出角 θ: エネルギースペクトラムの決定

ニュートリノ反応解析で重要な反応

・Charged-Current Quasi-Elastic反応 : ν

μ

+ n →μ + p

　二体反応であり、p, θからνのエネルギーを決定出来る。

m

_μ

: ミューオン質量, p

_μ

:ミューオン運動量 θ

_μ

:ミューオン放出角,

m

_p

: 陽子質量, E

_B

: 核子の束縛エネルギー

ニュートリノエネルギー再構成の式

既存の解析

(FGD-TPC)

既存の解析

・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを

抽出・使用。

μ

ν

FGD

TPC

νイベント模式図

FGD Fiducial Volume内CC反応からのミューオン放出角

黒: FGD Fv内での全CC反応　赤: 現在の解析で用いられる反応

cosθ

N

[

b

in

幅

0.

04

]

既存の解析

(FGD-TPC)

既存の解析

・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを

抽出・使用。

ν

FGD

TPC

νイベント模式図

cosθ

N

[

b

in

幅

0.

04

]

大角度領域

既存の手法では、

大角度の領域

のエフィシエンシが小さい。

SMRDを用いることによってこの領域の解析を行う。

μ

SMRD イベント抽出

FGD FV内反応, FGD Track >= 1

4756

Event ( 4267 Event Expected with MC )

実データ: 2010年前期のうち

2.55e19POT

分を使用(全体の~89%)

MC:

1e20POT

を使用 (MCP2, Magnet)

TPC Trackなし

2313 Event ( 1729 Ev. )

SMRD イベントの抽出

飛跡数1or2, SMRDを含む飛跡>=1

Meaningful Exit Position info.

126 Event ( 135 Ev. )

TPC Trackあり

2443 Event ( 2538 Ev. )

ミューオンイベントの抽出

( Max p track, q > 0,

p > 50MeV, Particle ID Mu )

1010 Event ( 1008 Ev. )

SMRD イベント 抽出

・CCQE反応を保持し、SMRD情報を使用できるイベントを抽出

するため、以下のイベントセレクトを適用。(

赤: TPCセレクト

)

SMRD イベント解析

SMRD イベント 解析

・ミューオン放出角θ : FGD内情報を利用。

・ミューオン運動量p : SMRD内の粒子の飛程からE

_Dep

を算出、

ミューオンを仮定して運動量を求める。

ν

μ

FGD, Fiducial

Volume

L

SMRDシンチカウンター, 0.7mm

Magnet Yoke 1 layer :

4.8 cm Iron+1.7 cm Air

θ

Edep = SMRD内Edep + FGD内Edep + 電磁石コイル内Edep

= { (L – (AirGap長))/sinθ' × 7.874 [g/cm

3

_{] + FGD内飛程 x}

1.0 [g/cm

3

_{] + 5.4 [cm]/sinθ' × 2.699 [g/cm}

3

_{] } × 2.0 [MeV cm}

2

_/g]

飛跡の角度θ'はFGDからのExitPoint座標とSMRD内終座標を用いて算出

運動量再構成

＋ : データ 再構成運動量

青 : MC 再構成運動量

マ : MC Trueの運動量

POT Normalized

(True値のヒストグラムは、

p<100のbinを除いて再規格化。)

運動量再構成の結果

・平均値 500MeV/c (MCTrue: 509)

・MCから運動量の誤差は+-51%。

P [MeV/c]

N

[

(

2.

55

e1

9P

O

T)

^-1

]

bi

n幅

10

0M

eV

/c

・ミューオンの割合: 81%

・CCQE反応の割合: 70%

放出角再構成

＋ : データ 再構成放出角

青 : MC 再構成放出角

マ : MC Trueの放出角

POT Normalized.

True値はp>100で再規格化

放出角再構成の結果

・CosTheta~0.6近辺を抽出。

・MCから精度はδθ=+-0.03

cosθ

N

[

(

2.

55

e1

9P

O

T)

^-1

]

bi

n幅

0.

04

・MC Trueと180度逆に再

構成されているものがある。

→ 今後精査

FGD-TPC解析との比較

-1-P [MeV/c]

P [MeV/c]

FGD-TPCとの比較

FGD -

TPC

SMRD

統計数

1010

126

ミューオン

割合

87%

81%

CCQE

割合

50%

70%

運動量

測定領域

50MeV~

5GeV

100Me〜

1GeV

放出角

測定領域

0.2~1

@cosθ

0.2~0.8

@cosθ

運動量

分解能

± 9.3%

± 45%

＋ : データ 再構成運動量

青 : MC 再構成運動量

マ : MC Trueの運動量

＋ : データ 再構成運動量

赤 : MC 再構成運動量

マ : MC Trueの運動量

Reconstructed Momentum for TPC Event

Reconstructed Momentum for SMRD Event

N

[

(

2.

55

e1

9P

O

T)

^-1

]

bi

n幅

10

0M

eV

/c

TN15との比較

-2-cosθ

N

[

(

2.

55

e1

9P

O

T)

^-1

]

bi

n幅

0.

04

ミューオン放出角分布

・cosθ = 0.2-0.5の領域について、FGD-TPCのみの場合に

比して統計を二倍にすることができる。

Reconstructed CosTheta Distribution

黒 : FGDFV Cc反応 (MC)

赤 : FGD-TPC解析

青 : FGD-SMRD解析

νエネルギー再構成

＋ : データ 再構成運動量 赤 : MC 再構成運動量 マ : MC Trueの運動量 ＋ : データ 再構成運動量 青 : MC 再構成運動量 マ : MC Trueの運動量 Recon NuEnergy, SMRD Recon NuEnergy, TPC MC True NuEnergy, FGD Start

黒 : FGD FV CC 赤 : FGD - TPC 青 : FGD - SMRD 1010 Event (Data) 1008 Event (MC)

公式値 :

126 Event (Data) 135 Event (MC)

νエネルギー再構成

SMRD部分の強度 (Data/MC)

= 0.93 ± 0.10

TPC部分の強度 (Data/MC)

= 1.00 ± 0.04

合算

= 0.99 ± 0.03

(統計誤差のみ)

Summary

●

T2K ND280前置検出器の一部であるSMRDを用い、FGD内で反応

した大角度散乱ミューオンの抽出・解析を行った。

●

SMRD内での飛程からエナジーデポジットを用い、ミューオンの運動

量を測定した。MCより、運動量の誤差は±51%と見積もられる。

●

2.55e19POT分のデータに対し、FGD-SMRDイベント数として

126 Event (Data)を得た。

●

これは既存のFGD-TPC解析手法で得られたイベント数の10%に相当

し、特にCosTheta = 0.2 – 0.5領域において、統計数を倍にするこ

とが出来る。

●

Data/MC Rate として、FGD-TPC: 1.00±0.04, FGD-SMRD:

0.93±0.10, Total: 0.99±0.04を得た。

●

今後の展望

●

エナジーデポジット算出式の見直し

●

Mcに対し、現在使用されているウェイティングを適用

●

SMRD情報を用いたData/MCの更新。

既存の解析

既存の解析

・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを

抽出・使用。

μ

ν

FGD

TPC

νイベント模式図

FGD Fiducial Volume内CC反応からのミューオン放出角

黒: FGD Fv内での全CC反応　

赤: 既存の解析

青: 本発表

緑: 青+赤

cosθ

N

[

b

in

幅

0.

04

]

既存の解析

既存の解析

・FGDを標的とし、TPCで運動量pを測定出来るイベントを

抽出・使用。

μ

ν

FGD

TPC

νイベント模式図

cosθ

N

[

b

in

幅

0.

04

]

大角度領域

既存の手法では、

大角度の領域

のエフィシエンシが小さい。

SMRDを用いることによってこの領域の解析を行う。

Muon Pull, Electron Pull

PID Pull:

|MuPull-1| <2

|ELPull-1| > 2

T2Kニュートリノビーム

T2K実験 ニュートリノビーム模式図

SK

Off-Axis Angle

p

π

μ

0m

120m

280m

295km

30GeV PS

ν

ND280 MUMON TARGET, HORN

+

振動:

P(ν

μ

→ν

τ

)　=

sin

2

2θ

₂₃

sin

2

(1.267Δm

₂₂₃

L/E)

条件:　

L=295km, Δm

223

〜2.4 x 10

-3

eV

2

Of-Axisビーム

Beam軸-SK方向間角度(Of-Axis Angle)を設定

SK方向ν beamのエネルギー分布を最適化

●

高エネルギーν反応によるν

e

検出BGを抑制

●

ν

µ

disapperanceの確率を最大化

→Eν 〜0.6 GeVで振動確率が最大

Of-Axis Angle = 2.5°に設定

Off-Axis Angleによる νfluxの変化

Neutrino Beam Energy

at J-PARC(ND280)

Neutrino Beam Energy

at Super-K

Ratio (SK/ND280)

Neutrino Beam Energy

MCに用いられた値:

sin

2

_(2θ

13

)=1.0

Δm

2 23

=2.7x10

-3

_eV

2

Used Data : run 31 – 34, 2470 subruns

2.556e+19 POT

All Data : run 31 – 34, 2672 subruns

2.88e+19 POT

FGD – TPC

FGD – TPC

FGD – SMRD

FGD – SMRD

sqrt(1/3953.+1/1010.)

=3.52572182099858203e-02

sqrt(1/530.+1/126.)

TN15 Criteria MC

Cut History

: ---Total Spills : 1346319 (100%) : ---At Least 1 Track in FGD: 131719 (9.78364%) : ---No Track in TPC1 : 70834 (5.26131%) : ---At Least 1 Track TPC2 : 41470 (3.08025%) Within FGD1 FV : 5790 (0.430062%) q < 0 and p > 50 MeV/c : 3547 (0.263459%) PID Cut : 2160 (0.160437%) : ---At Least 1 Track TPC3 : 19181 (1.4247%) Within FGD2 FV : 4162 (0.309139%) q < 0 and p > 50 MeV/c : 2703 (0.20077%) PID Cut : 1793 (0.133178%) : ---SMRD Hit : 1003 (0.0744994%) :

---TN15 Criteria Data

Cut History

: ---Total Spills : 896109 (100%) : ---At Least 1 Track in FGD: 64635 (7.21285%) : ---No Track in TPC1 : 25509 (2.84664%) : ---At Least 1 Track TPC2 : 15667 (1.74834%) Within FGD1 FV : 1564 (0.174532%) q < 0 and p > 50 MeV/c : 948 (0.105791%) PID Cut : 664 (0.0740981%) : ---At Least 1 Track TPC3 : 6242 (0.696567%) Within FGD2 FV : 879 (0.0980907%) q < 0 and p > 50 MeV/c : 514 (0.0573591%) PID Cut : 346 (0.0386114%) : ---SMRD Hit : 231 (0.0257781%) :

---SMRD Criteria MC

Cut History

--- : --- Total Spills : 1346319 (100%) --- : --- At Least 1 Track in FGD: 131719 (9.78364%) --- : --- No Track in TPC1 : 70834 (5.26131%) --- : --- No Track in TPC2 : 29364 (2.18106%) Within FGD1 FV, No TPC : 5109 (0.379479%) 1 or 2 Track Required : 1878 (0.139491%) At Least 1Track in SMRD: 459 (0.034093%) --- : --- No Track in TPC3 : 10183 (0.756359%) Within FGD2 FV, No TPC : 1673 (0.124265%) 1 or 2 Track Required : 711 (0.0528107%) At Least 1Track in SMRD: 149 (0.0110672%) --- : --- SMRD Hit in The Track : 530 (0.0393666%)

SMRD Criteria Data

Cut History

--- : --- Total Spills : 896109 (100%) --- : --- At Least 1 Track in FGD: 64635 (7.21285%) --- : --- No Track in TPC1 : 25509 (2.84664%) --- : --- No Track in TPC2 : 9842 (1.0983%) Within FGD1 FV, No TPC : 1636 (0.182567%) 1 or 2 Track Required : 762 (0.0850343%) At Least 1Track in SMRD: 119 (0.0132796%) --- : --- No Track in TPC3 : 3600 (0.401737%) Within FGD2 FV, No TPC : 677 (0.0755488%) 1 or 2 Track Required : 320 (0.0357099%) At Least 1Track in SMRD: 33 (0.00368259%) --- : --- SMRD Hit in The Track : 126 (0.0140608%)