T2k near detector
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ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積 と T2K near detector PowerPoint PPT Presentation


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日本物理学会 2007 年春 3 月 27 日@首都大学東京. K2K. ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積 と T2K near detector. 中家 剛(京大理). m. n. n. m. <. <. <. <. <. <. p. n. 始めに. ニュートリノと原子核反応(~ GeV 領域) 古い物理: ~1980 年頃に主に泡箱で測定された。 現在電弱相互作用は高精度で検証されている。 少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。 ニュートリノビームの不定性も大。 最近脚光を浴びている。

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ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積 と T2K near detector

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


T2k near detector

日本物理学会2007年春

3月27日@首都大学東京

K2K

ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積とT2K near detector

中家 剛(京大理)


T2k near detector

m

n

n

m

<

<

<

<

<

<

p

n

始めに

  • ニュートリノと原子核反応(~GeV領域)

    • 古い物理:~1980年頃に主に泡箱で測定された。

      • 現在電弱相互作用は高精度で検証されている。

      • 少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。

      • ニュートリノビームの不定性も大。

    • 最近脚光を浴びている。

      • ニュートリノ振動実験のために高精度なデータが必要。

      • 実験データの存在が必要不可欠➪原子核のモデル化、汎用シミュレーターの開発

p


Series of workshops

Series of Workshops

Gran Sasso

NuInt07


Contents

Contents

  • K2K実験とT2K実験

  • ニュートリノ・原子核反応断面積(K2K実験)

    • K2Kビームと前置ニュートリノ測定器

    • CC Quasi-Elastic反応

    • CC/NC-1p反応

      • NC 1p0

      • CC-coherent p

    • Nuclear de-excitation g and NC elastic

    • Expected new results from K2K

  • T2K Near Detectors(T2K実験)

    • T2K n Beam

    • T2K ND280 with New Technology

  • Summary


1 k2k and t2k

1. K2K and T2K

J-PARC

KEK

  • K2K (KEK to[2] Kamioka)1999~2005

    • 世界初の長基線ニュートリノ振動実験。

    • ニュートリノ振動を確認。

  • T2K (Tokai to[2] Kamioka) 2009~

    • 世界最高感度の加速器ニュートリノ振動実験


2 k2k

2.ニュートリノ・原子核反応断面積(K2K実験)

  • K2K実験からの物理論文

    • ニュートリノ振動:6編

      • PRD74(2006), 072003 {39 pages long}

    • ニュートリノ反応断面積:3編

      • NC-1p0の生成断面積

        • T2K実験における電子ニュートリノ探索のバックグラウンド

        • NC反応を選択(ニュートリノフレーバーに依らない)

      • CC coherent pの探索

        • ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(バックグラウンドの理解)

      • CC Quasi-Elastic反応のAxial Vector Massの測定

        • ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(信号の理解)


T2k near detector

 GeV領域のニュートリノエネルギー測定

CC quasi elastic (QE)

CC inelastic

nm +n→m +p

nm+ n→m+ p+ p

m-

m-

(Em, pm)

qm

(Em, pm)

qm

p

n

p

p’s

  •  ニュートリノエネルギーは終状態のみから測定可能。

    • 入射エネルギーは分からない。

  •  終状態

    • 準弾性散乱(~50%)

    • 非弾性散乱(~50%)

      ➪ 各種のニュートリノ反応の理解が重要。

inelastic

QE


2 1 k2k

2.1 K2Kビームと前置ニュートリノ測定器

Lead Glass or

K2K n beam

  • K2K Beam

    • ~98% pure nm beam with <E>~1.3GeV

  • K2K Near Detectors

    • 4 detectors with H2O, HC and Fe targets.


2 2 cc quasi elastic

2.2 CC Quasi-Elastic反応の研究-- ニュートリノエネルギー測定の主チャンネルーー

  • Scintillation Fiber planes and Water Target sandwich tracking detector

    • Pm > 600 MeV/c

    • Pp > 600 MeV/c

      • not always seen

m

p

CC-QE candidate event


T2k near detector

(*)A,B,Cはq2、F1V、F2v、FAの関数。

Axial-Vector Form Factor with a dipole approximation.

(only given from n scattering)

  • ニュートリノビームの絶対フラックスを高精度で見積もるのは困難(不可能?)

  • ds/dq2の分布の形でMAを測定する。


T2k near detector

PRD74(2006), 052002

  • MA= 1.20±0.12 GeV/c2

    • Largest systematic errors

      • Muon momentum scale: 0.07

      • neutrino beam flux:0.07

with

Two-track QE events.

(a proton with QE kinematics)

One-track events.

QQE2 (GeV/c) 2

QQE2 (GeV/c) 2

not used in fit (nuclear effect)


Discussion w the past measurements

Discussion w/ the past measurements

K2K result

CC-QE cross section

s(nmnm-p)

K2K

s(10-38cm2)

  • We measured MA from the q2 shape.

    • Systematic difference from the measurement of the total cross section?

10-1 1 10

0 0.8 1 1.2

MA (GeV/c2)

Neutrino Energy (GeV)


2 3 cc nc 1 p nc 1 p 0

2.3 CC/NC-1p反応 (NC-1p0)

NC: n+N→n+N’+p0

  • 1KT Water Cherenkov Detector

    • Two Electron Ring Events.

    • Reconstruct gg inv. mass.

NC-1p0

Not NC-1p0

Mgg (MeV/c2)


T2k near detector

NEUT

PLB 619(2005), 255-262

⇐ model prediction with NEUT: 0.065

  • An important channel to study ne appearance.

  • A further study is necessary!

    • Nuclear Effect

    • non NC-1p0 channel.


T2k near detector

2.3 CC/NC-1p 反応 (CC coherent p+)

  • In K2K, there was a long-standing puzzle of the deficit of forward going m events.

    • 小さな CC coherent p断面積が原因.

Coherent p

CC 1p (n+Nm+N+p)

m

n

n

m

p*

<

<

<

<

p

N *

<

p

ニュートリノが原子核と

コヒーレントに反応して

πを生成。

N

t ~ 0

N


Scibar detector

n

SciBar Detector

Extruded

scintillator

(15t)

EM calorimeter

  • 抽出型シンチレータを波長変換ファイバーで読み出す。

  • 2.5 x 1.3 x 300 cm3セルサイズ

  • ~15000 チェンネル

  • 短いトラックも見える (>8cm)

  • πと陽子をdE/dxで識別

  • High track finding efficiency (>99%)

  • Clear identification of ν interaction process

3m

Multi-anode

PMT (64 ch.)

3m

CC-QE event candidate

1.7m

Wave-length

shifting fiber


Q 2 distribution in the cc coherent p sample

Q2 distribution in the CC-coherent p sample

Signal Region

(S/N ~ 1)

⇐ model prediction with NEUT: 2.66710-2

New and modified models are proposed to explain the small cross section.

CC coherent-p事象は観測されなかった。


T2k near detector

PRL95, 252301 (2006)

0.65x10-40

Coherent p cross section

  • How is the NC coherent p cross section at the low energy?


2 4 nuclear de excitation g and nc elastic

2.4 Nuclear de-excitation g and NC elastic

Proton Decay: p→nK+

  • NC: n + p → n + p

16O

n

K+

n

16O

n

15N*

15N*

g

g

p


P n k signal prompt g tag is a very powerful tool

pnK+ Signal -- Prompt g tag is a very powerful tool.

2,200ns


1kt neutrino beam data

  • First Observation of g rays from de-excitation of nuclei induced by neutrino interactions.

    • Good confirmation of prompt g-ray tag in the proton decay search.

  • Good NC samples for neutrino oscillation study.

    • ~60% NC-elastic

    • ~80% NC interactions.

1KT Neutrino Beam data

  • Analyzed ~1/10 K2K data.

    • Observation: 6504.1 events.

    • MC prediction: 5273 events.

    • Data/MC = 1.23 ±0.04(stat.) ±0.06(sys.)

MC

Nucl.Phys.Proc.Suppl.159 (2006), 44-49


2 5 expected new results from k2k

2.5 Expected New Results from K2K

  • 1KT

    • CC 1p0 study for proton decay search BG

  • SciBar

    • CC 1p+ production cross section

    • CC p0 production cross section

  • More?


T2k near detector

3. T2K Near Detectors

Off-axis

Detector

Ground level

2.5deg beam center

28.5m

On-axis

Detector

Neutrino Beam Flux & Spectrum

Neutrino Interactions

Magnet: 0.2 T

outer: 6.1m(H) x 5.6m(W) x 7.6m(L)

inner: 3.6m x 3.5m x 7.0m

Neutrino Profile

& the beam center


3 1 t2k n beam

3.1 T2K n Beam

  • Conventional nm beam:

    • p + Graphite target p’s

    • p+ or p- is focused selectively by 3 electromagnetic horns. p+ m+ + nm or p- m- + nm

  • Off-Axis technique: (OA = 2 ~ 2.5)

    • Tune n energy at oscillation max.

    • Reduce the high energy neutrinos.

Extraction point

Target &horn

Oscillation Prob.@ L=295km

Dm2=2.510-3,

3.010-3[eV2]

Decay Volume

n energy spectrum (flux Cross Section)

280m

Beam dump

m-monitor

OA0

OA2

OA

OA2.5

nNear Detector

OA3

SK


3 2 t2k nd280 offaxis

3.2 T2K ND280-offaxis

  • Spectrometer in the magnet.

    • Finer-Grained target Detector (FGD)

      • 11 cm2 segmentation (SciBar: 2.51.3 cm2)

    • Large TPC (2.52.51m3 3)

    • EM calorimeter and Muon Catcher surrounds

  • p0 dedicated detector (P0D)

    Physics purpose

  • Measure n-flux in SK direction : FnND(En).

    • Measure nm, nm and ne+ne fluxes.

    • Neutrino energy w/ CC-QE.

  • Cross sections of n interactions

    • CC-1p : BG for En reconstruction

    • NC-1p0: BG for ne detection

Reuse of UA1 magnet

~0.1 events/ton/spill


Nd280 and new technology

w/ Micromegas

ND280 and New Technology

8mm

P0D

Dedicated p0

Detector

UA1/NOMAD magnet w/ 0.2T

(3.53.6 7m3)

  • New photo-sensor (Multi-pixel Si APDs) for all scintillator detectors: P0D, FGD, ECAL, SMRD

2FGD + 3TPC for nm

FGD scintillator

w/ Water Target

w/ Water Target

10mm

ECAL for

p0

ne

Muon Range Detector

CPTA MRS-APD

HPK MPPC

1mm

1mm


T2k near detector

Micromegas for TPC

(copy from http://cbernet.home.cern.ch/cbernet/Micromegas)


New photo sensors maybe familiar as sipm

New Photo Sensors (maybe familiar as SiPM)

T2K実験で約60,000チャンネル使用(2007-2008年)

MRS APD

(Russia)

2

光子計測

1

3

  • 安価でコンパクト

  • 磁場中で使用可能

  • 低電圧(~70V)で動いて高ゲイン(106)

  • 高い光子検出率(緑の光に対してPMT~2倍強)

  • ノイズが多い(~O(100kHz))

HPK MPPC

(Japan)

4

0

1mm

5

6

7

100mm

8

KEK測定器開発室を中心に開発・試験中


Neutrino interactions at nd280

Neutrino Interactions at ND280

CCQE

Pp

0 1 2 (GeV/c)

CCQE

CCQE

qm

Pm

0 40 80 120 160 (degree)

0 1 2 3 4 (GeV/c)


4 summary

4. Summary(個人的見解)

  • ニュートリノと原子核反応の物理自身は古い物理であるが、

    • GeV領域のニュートリノ振動研究に必要不可欠の情報。

      • 他の例:LHCの新物理探索においてQCDの研究が必要。

    • 気付いていない物理を引き出せる可能性もある(後半の講演参照)。

      • Δsを測る?

      • 様々なパズル

        ① CCとNCのコヒーレントπ反応の断面積比は?

        ② CC-QEのフォームファクターは? なぜMA~1.2?

        ③ ニュートリノ反応断面積の絶対値?

    • 新しい領域で、各人のアイデアを活かせる。

      • ただし、解析や研究のテンプレートは無いので、チャレンジしがいはある。


Summary

Summary

  • K2K実験(1999-2005)

    • ニュートリノ振動の結果は完結。

    • ニュートリノ・原子核反応の解析は地道に進んでいる(主に外国人メンバーによる)。

  • T2K実験(2009-)

    • ビームライン、ビームモニター、前置測定器の建設とスーパーカミオカンデのアップグレードが進行中。

      • 立ち上げのピークに向けて、活躍できる現場が多くある。そのまま物理につながる。

      • 即戦力求む!


Backup

Backup


Non nc 1 p 0 fraction

NON NC-1p0 fraction


Q 2 distribution in the cc coherent p sample1

Q2 distribution in the CC-coherent p sample

Signal Region

(S/N ~ 1)

No Evidence of CC-coherent p process at low energy

In the Signal Region,

  • Observation: 113

  • BG estimate: 111.410.6(stat.)

  • Signal prediction by the Rein&Sehgal model: 99


Upper limit on cc coherent p n m cc

Upper limit on σ(CC-coherent p)/σ(nmCC)

⇔ Rein & Sehgal : 2.667 x 10-2

Main Systematic uncertainties

Nuclear effect and neutrino interaction (+0.273, -0.253)

p absorption in the nucleus +0.171, -0.08

BG estimation from CC-1p +0.144, *


A novel idea prompt g tag

K+

16O

n

15N*

g

A Novel Idea: Prompt g tag

Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:44-49,2006

  • A proton in 16O decays (or disappears)

    ➾ 41%6.3MeV g-ray generates

    This propmt g events will be measured at K2K by NC elastic scattering (n+16On+15N*+p).


T2k near detector

Nghit

  • 1-ring m-like

  • 215pm260MeV/c

  • 1 Decay electron

  • No proton ring

  • 7Nghit60 (prompt g)

    Efficiency= 8.6%

    tp/BR(pnK+) >1.1 x1033years (90% CL)

    w/ 0.7 expected Background events


J parc schedule w beam power estimation

J-PARC schedule w/ beam power estimation

0.75 MW

Hardware upgrade is necessary for  1MW.

Target date for new RF system installation.


T2k near detector

Design-A

OR

x & y views

Design-B

10cm

10cm

On-Axis Neutrino Monitor (INGRID)

- Extruded Scintillators- Photo-Sensor (MPPC/SiPM)

14 Iron/Sci sandwich trackers are placed with a “cross shape” around the beam axis

Each tracker consists of 10 iron plates and 11 scintillator strip planes

+ veto planes around each tracker


T2k near detector

365mm

2300mm

2

K2K-SciBar

FGD

iPlastic FGD:

15 XY modules

(30 layers)

iWater FGD:

7 XY modules with 6 water layers (2.5cm/layer)

iNominal scnitillator bar:

1cmx1cmx185cm

Scinitillation counter: 1cm1cm

( better segmentation then K2K)


T2k near detector

1 m

TPC

  • Measure the momenta of all charged particles: m, e, p ,..

  • Particle ID for e versus m.

  • Gas amplification devise: Micromegas

  • 12 modules on each TPC end plate

    (Module: 34cm x 36 cm)

  • 72 modules in total

3


T2k near detector

fiber

Photo-sensor

ECAL

  • Measure the EM component (e, g) from P0D and FGD, and veto background particles coming outside.

    • Measure the EM cluster position and energy.

    • Perform Particle ID.

      scintillator bar

      (4cm (width) x1cm (depth))

      with 0.03X0 Pb

Barrel ECAL module


T2k near detector

P0D

  • iA dedicated NC p0 detector.

  • Pb(0.6mm) + scintillator(17mm thick) + Water


T2k near detector

SMRD

  • iMuon Range detector to catch the muon going out of the TPC acceptance.

    • iMomentum measurement by the range of muon whose momentum is not measured by TPC.

  • iScintillator modules are instrumented in the Fe gap (4cm)

1 unit: 4 scntillator slab


T2k near detector

Summary of the detector technology


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