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’05 12/19 田窪洋介

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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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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！

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. SciBarデータ・サンプルの作成

  10. 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

  11. 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

  12. 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

  13. 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。

  14. 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

  15. 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。

  16. スペクトル解析

  17. 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

  18. 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)

  19. 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。

  20. 振動解析

  21. 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

  22. 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

  23. 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

  24. おまけ

  25. 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。

  26. 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

  27. 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

  28. Sky-shine background g-like Proton-like

  29. SB (MRD+EC)のpm, qm, q2分布(フィッティング前)

  30. SciFiのpm, qm, q2分布 (フィッティング前)

  31. 1KTのpm, qm, q2分布 (フィッティング前)

  32. 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.

  33. c2フィッティングの確認

  34. SB (MRD+EC)のpm, qm, q2分布(フィッティング後) MRD+EC SBCNT

  35. SciFiのpm, qm, q2分布 (フィッティング後)

  36. 1KTのpm, qm, q2分布 (フィッティング後)

  37. 振動パラメータに対する制限

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