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A Study of Low Energy Spectrum in Accelerator-based Neutrino Oscillation Experiment K2K 実験における 低エネルギー・スペクトルについての研究. ’05 12/19 田窪洋介. ニュートリノ振動 K2K 実験と低エネルギー・スペクトル SciBar 検出器による低エネルギー・スペクトル解析 振動解析 まとめ. ニュートリノ振動. n m n x の 2世代間混合の場合. n m , n x : 弱い相互作用の固有状態 n 1 , n 2 : 質量固有状態

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
a study of low energy spectrum in accelerator based neutrino oscillation experiment k2k

A Study of Low Energy Spectrum in Accelerator-based Neutrino Oscillation ExperimentK2K実験における低エネルギー・スペクトルについての研究

’05 12/19 田窪洋介

  • ニュートリノ振動
  • K2K実験と低エネルギー・スペクトル
  • SciBar検出器による低エネルギー・スペクトル解析
  • 振動解析
  • まとめ
slide2
ニュートリノ振動

nm nx の2世代間混合の場合

  • nm, nx : 弱い相互作用の固有状態
  • n1, n2 : 質量固有状態
  • q : 固有状態の混合角

nm= n1 cosq + n2 sinq

nx = - n1 sinq + n2 cosq

nx

nm

質量二乗差(eV2)

飛行距離(km)

飛行距離 : L

(Dm2 = m12 – m22)

振動確率

=

t = 0

t = T

  • 振動条件
    • n1, n2が異なる質量を持つ
    • 混合角が0でない

ニュートリノ・エネルギー (GeV)

SKの大気nの測定で発見

飛行距離Lを進んだ後にnmの数の増減が起こる

確かな方法で確認したい!

slide3
K2K実験

K2K実験

SciBar(LG)

MRD(Muon Range Detector)

SciFi

崩壊トンネル

(200m)

1kt

ダンプ

(100m)

ターゲット

m

p

p

nm

nm

KEK 12GeV P.S.

nm

250km

~106n/2.2sec

~1event/2days

~1011n/2.2sec

電磁ホーン

mモニター

pモニター

Super-Kamiokande

前置検出器

  • 世界初の加速器を用いた長基線ニュートリノ振動実験
  • SKでの大気n振動の結果を検証
  • KEK 12GeV P.S. を使用しニュートリノを生成
  • 98%の純度のnmビームを使用
  • 前置検出器とSKでnmを観測しニュートリノ振動を測定
k2k n

振動確率 =

K2K実験におけるn振動

実験原理

前置検出器でn事象数とEn分布を測定

  • SKでのn事象数とEn分布が予測可能
  • SKの観測結果と比較し、n振動を検証

SKでの振動確率とFlux分布(MC)

振動がある場合

飛行距離が一定(250km)

振動なし

  • SKでの振動の効果
    • nm事象数が減少する
    • スペクトル分布に歪が生じる

振動あり

k2k e n

m

q

n

p

m

n

p

p

K2K実験におけるEnの測定

CC事象

  • エネルギーの再構成 :
  • 準弾性散乱反応(CCQE)を用いる
  • 非弾性散乱反応(nonQE)がバック
  • グラウンドとなる 

準弾性散乱反応

終状態が2体なのでmの角度と運動量からEnの再構成が可能

非弾性散乱反応

NC事象

p

  • スペクトルの測定にはnonQEの混入量の見積もりが必要
  • mとpの両方を捕らえる事が必須

n

p

slide6
低エネルギー事象の重要性
  • En ~ 0.6 GeV で振動の効果が最大
  • 前置検出器とSKでの(Near/Far)フラックス比
    • En>1GeV : pモニターでMCの妥当性を確認
    • En<1GeV : MCだのみ

前置検出器での1GeV以下の低エネルギー領域のスペクトル測定が重要!

前置検出器の比較

  • 1kt検出器
    • 低エネルギーに感度有り
    • mしか見えない
    • CCQEとnonQEの見積もりはMCだのみ
  • SciFi検出器
    • 低エネルギーに弱い(En>0.6GeV)
  • SciBar検出器
    • 低エネルギーに感度有り
    • mとpが両方見える

SciBarでの低エネルギーの観測は他の検出器とのチェックにも重要

scibar

n

SciBar検出器

EM calorimeter

  • 押し出しシンチレータ
    • 1.3x2.5x300 cm3
    • 15000本
  • シンチレータ自身がニュートリノ・ターゲット
    • 不感領域がない
  • 10 cm のトラックまで検出可能
    • 低エネルギーに感度有り
  • dE/dx によってpとpを識別
  • CCQE に対して高感度
  • non-QEバックグラウンドを識別
  • 電磁カロリー・メーター (~ 11X0)

Extruded

scintillator

(15t)

3m

Multi-anode

PMT (64 ch.)

3m

1.7m

1kt 水チェレンコフ検出器

Wave-length

shifting fiber

MRD

slide8
n振動測定の流れ

前置検出器によるスペクトル測定

  • データ・サンプルの作成
    • SciBar
    • SciFi
    • 1KT
  • スペクトル・フィッティング
    • フィッティング・サンプルの定義
    • 各サンプル間の系統誤差の評価
    • (pm,qm)分布をMCテンプレートでc2フィッティング

低エネルギー・サンプル

  • Near/Farフラックス比の算出
  • SKでのイベント数の予測

振動解析

  • Maximum likelihood method
scibar2

MRD

EC

SciBar

MRD

EC

SciBar

MRD

EC

SciBar

SciBarイベント選択

MRD事象

  • トラックがMRDで止まっている
  • これまでの解析に用いられてきた
  • En>0.5GeV

新しいイベント・カテゴリー

低エネルギー事象を増やすために、新たに2つのイベント・カテゴリーを作成した。

ECストップ事象

  • トラックがECで止まっている
  • En>0.4GeV

SciBarストップ事象

  • トラックがSciBar内で止まっている
  • En>0.3GeV
slide11
イベント・ディスプレイ

SciBarストップ事象

MRD事象

MRD

MRD

EC

EC

SciBar

SciBar

m

n

ECストップ事象

m

p

MRD

EC

SciBar

n

p

n

m

scibar3

Data

NC

CCmp

CC1p

CCQE

SciBarストップ事象

SciBarストップ事象

SciBarタイミング分布

  • 加速器起源のバックグラウンド
    • 中性子起源のpとp0からのg
    • p : dE/dx情報で識別可
    • g : 100cm以下のトラックに混入
  • NC事象の混入
    • 全体の30%がNC事象
    • 100cm以下のトラックに混入
    • K2KでのNCの誤差は~30%
    • MRD事象では2%のみの混入

データ取得

バックグラウンド

msec

2

4

6

0

SciBar内トラック長分布

SciBarストップ事象ではNCの理解が必要

cm

200

0

100

scibar nc
SciBarストップNC事象

NC事象

mとして再構成した

NCからのp+-の運動量

CCQEからのmの

再構成運動量

  • 1GeV以上のニュートリノ反応
  • SciBar内でのトラック
    • p+- : 35%
    • p0からのg : 37%
  • NC事象からのp+-とgはCCQEから
  • のmと運動量分布がかぶる。
  • 1GeV以上のNC事象は低エネル
  • ギーCCQE事象として再構成される。

MC

MC

NC1p+-

NCmp

CCQE

GeV/c

GeV/c

100cm以上のトラックを用いてNC事象とB.G.を除去

SciBarストップ事象のpm, qm分布

pm

qm

pm, qm分布はフィット前でデータとMCでよく合っている。

slide14

SciBar内トラック長分布

cm

Data

NC

CCmp

CC1p

CCQE

EC ストップ事象

ECストップ事象

  • NC事象の混入
    • 全体の25%がNC
    • 100cm以下のトラックに混入
    • pA, p0からのgがトラックとなる
    • 1GeV以上のニュートリノ反応

100cm以上のトラックを用いることでNC事象を除去

pm

qm

pm, qm分布はフィット前でデータとMCで概ね合っている。

degree

GeV/c

scibar4
SciBarデータ・サンプルのまとめ

データ・サンプルのまとめ

  • MRD事象 : 11,562 (CCQE : 54%,CC1p : 35%, CCmp : 9%, NC : 2%)
  • ECストップ事象 : 203 ( CCQE : 34%, CC1p : 46%, CCmp : 13%, NC : 7%)
  • SBストップ事象 : 821 (CCQE : 37%, CC1p : 43%, CCmp : 12%, NC : 8%)

CCQEのtrueEn (MC)

CCQEのEfficiency(MC)

低エネルギーCCQEのEfficiency(MC)

1

Efficiency

ECストップ

Total

SciBarストップ

0.5

MRD +

SciBarストップ

MRD

3

2

MRDのみ

0

1

0

0.5

1

En (GeV)

MRDサンプルのみに比べ、1GeV以下のCCQEの数は30%増加した。

slide17

Data

CC coherent p

CCmp

CC1p

CCQE

フィッティング・サンプル

2トラックDqp分布 (MRDサンプル)

SciBar

QE豊富

nonQE豊富

  • MRD+ECストップ・サンプル
    • 1-track
    • 2-track QE豊富
    • 2-track nonQE豊富
  • SBストップ・サンプル

m

観測された方向

Dqp

QEで予想される方向

deg.

SciFi

  • K2K-I MRD
  • K2K-II LGストップ
  • K2K-II MRD
  • 1-track
  • 2-track QE豊富
  • 2-track nonQE豊富

1KT

14のサンプルでスペクトル・フィッティングを行う

  • Fully-contained 1-ring m-like
slide18
スペクトル・フィッティング

データ(SB 1-track)

MCテンプレート(SB 1-track)

nonQEサンプル

CCQEサンプル

Ndata(i,j)

3.0- GeV

3.0- GeV

qj

F(8) x

RnQEN8,nQE(i,j)

N8,QE(i,j)

pi

NMC(i,j) = S F(k) [Nk,QE(i,j)+ RnQENk,nQE(i,j)]

Ndata(i,j)

k

c2 fitting

  • (pm, qm)分布でフィッティング
  • MCテンプレート
    • QEサンプル
    • nonQEサンプル
  • フィッティング・パラメータ
    • 各Eビンの重み : F(i)
    • QE/nonQE比 : RnQE
    • 系統誤差パラメータ

0.5-0.75GeV

0.5-0.75GeV

F(2) x

RnQEN3,nQE(i,j)

N2,QE(i,j)

0-0.5GeV

0-0.5GeV

F(1) x

N1,QE(i,j)

RnQEN1,nQE(i,j)

slide19
フィッテングの結果

SciBarのみ

全検出器

低エネルギー事象有り

低エネルギー事象なし

1.712 A 0.421

1.095 A 0.073

1.146 A 0.059

1

0.917 A 0.040

1.051 A 0.053

1.179 A 0.136

1.242 A 0.180

0.958 A 0.035

  • F(1) : 0-0.5 GeV
  • F(2) : 0.5-0.75
  • F(3) : 0.75-1.0
  • F(4) : 1.0-1.5
  • F(5) : 1.5-2.0
  • F(6) : 2.0-2.5
  • F(7) : 2.5-3.0
  • F(8) : 3.0-
  • Rnqe

-

1.043 A 0.223

1.118 A 0.131

-

0.961 A 0.069

0.985 A 0.082

1.450 A 0.195

-

1.186 A 0.086

-

1.166 A 0.254

1.133 A 0.136

-

0.964 A 0.070

0.970 A 0.083

1.470 A 0.198

-

1.234 A 0.096

前置検出器で測定したEn分布

  • 低エネルギー・サンプルにより0.5-0.75GeVの誤差が3%改善
  • SciBarの低エネルギー領域の誤差は
  • 統計で決まっている
  • SciBarの低エネルギー領域のスペクトルは他検出器と矛盾なし
  • スペクトルは振動解析に用いられる。
slide21
振動解析の方法

ニュートリノ事象数とスペクトルの形を用いたmaximum likelihoodフィッティング

Ltotal =Lnorm.x Lshapex Lsyst.

系統誤差パラメータに制限をかけるlikelihood

スペクトルの形を決めるlikelihood

nm事象数のloglikelihood

ガウス分布を仮定して誤差内で制限

SKでの事象数

(112)

予想事象数

(振動なし : 156)

SKでrecEnを観測する

確率分布を用いて計算

Poisson統計

  • フィッティング・パラメータ
    • (sin22q, Dm2)
    • スペクトル・パラメータ (F(i))
    • QE/nonQE比 (RnQE)
    • 系統誤差パラメータ
slide22
振動解析の結果

The best fit :

(sin22q, Dm2) = (1.0, 2.8 x 10-3)

SKでのrecEn分布

データ

振動なしの場合にこの結果を観測する確率は0.003%以下 (4.2 s)

振動無しのbest fit

振動パラメータの可能領域

振動有りのbest fit

Dm2 [eV2]

  • SKでの大気nの結果と矛盾なく一致
    • 1.5x10-3 < Dm2 < 3.4x10-3 eV2
    • sin22q > 0.92(90% C.L.)

sin22q

slide23
まとめ
  • K2K実験では~0.6GeVの低エネルギー領域で振動の効果が最大となる
    • 前置検出器での低エネルギー・スペクトルの測定が重要
  • SciBar低エネルギー事象サンプルを作成した
    • 1GeV以下のCCQE事象が30%増加
  • SciBar低エネルギー・サンプルを用いてスペクトル解析を行った。
    • SciBarにおける0.5-0.75 GeVの誤差が3%改善した
    • 現在、SciBarの低エネルギーの誤差は統計が決めている。
    • 低エネルギー領域のスペクトルが他検出器と矛盾のないことを確認
  • 振動解析により大気n振動の結果との一致を確認した。
    • 4.2sで振動無しを棄却
scibar vertex

SciBar

Data

NC

CCmp

n

CC1p

CCQE

y

x

z

SciBarストップ事象のvertex分布

フィット前

vertex分布もフィット前でデータとMCでよく合っている。

scibar5

0.0035 0.0003

0.0003 0.0034

SciBarのフィッティング・パラメータ

共通のフリー・パラメータ

  • 8 bins of En
  • nonQE

Free parameters

系統誤差パラメータ

MRD+EC サンプル

  • MRDの運動量スケール : s=2.7%
  • 1-track/2-track比 : 4.1, -5.9%
    • 1-track事象と2-track事象間の行き来
  • 2-track nonQE/QE比 : 5.1, -5.8%
    • 2-track QE事象とnonQE事象間の行き来

誤差行列

SBストップ・サンプル

  • SciBarの運動量スケール : s=1.0%
    • ビーム・テストにて確認
  • SBストップ/MRD事象比 : 6.6 %
    • MRD事象によるデータとMCの事象数の規格化の誤差
r nqe
フィッティング条件によるRnqeのずれ

フラックス・パラメータをMergedフィットのベスト・フィット値に固定して各フィット条件でのRnqeの値を確認

0.96

0.76

0.96

1.07

A20%

Rnqeに20%の系統誤差を追加

sky shine background
Sky-shine background

g-like

Proton-like

r cnt mrd
RCNT/MRDの系統誤差

+0.2 -0.5

+1.6 -2.1

+0.5 -1.3

+2.2 -1.7

+1.2 -1.7

+1.6 -0.0

+2.4 -2.4

  • MA(CCQE) (MA=1.01, 1.21)
  • MA(CC1p) (MA=1.01, 1.21)
  • p int. out of nucleus (A10%)
  • p inel. (A30%)
  • p abs. (A30%)
  • p re-scat. (A10%)
  • s(NC) (A30%)

Physics (+4.2, -4.2)

Detector (+4.4, -5.1)

  • PMT resolution (120%)
  • X-talk (1.6%, 4.0%)
  • Threshold (+15%)
  • PID stability (A0.03)
  • MuCL distirubution
  • Scintillator quenching (A0.0023)
  • MRD matching efficiency

-2.8

+1.2 -1.2

-1.0

+0.5 -0.7

+1.6 -1.6

+3.3 -3.0

+2.0 -2.0

物理と検出器において非常に優位な系統誤差はない.