Super-Kamiokande における Θ 13 探索の現状と JHF-SK Neutrino 実験における探索の可能性

Super-KamiokandeにおけるΘ13探索の現状とJHF-SK Neutrino 実験における探索の可能性大林由尚（KEK-IPNS） Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

大気ニュートリノによる q13 search • neのexcess • Matter Effect: • Resonance: • Mantle(r~5): E ~12GeV • Core(r~13): E ~5GeV • ~10GeV のニュートリノに注目 ~0.5 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

Expected Oscillation Signals • e-like事象の増加量（ Nosc. /Nno_osc.） • 上向きe-like事象の増減（ Nup /Ndown） • sin22q23=1.0 • sin22q13=0.1 • Dm2=3x10-3eV2 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

スーパーカミオカンデ • 50,000トン水チェレンコフ検出器 • 有効体積22,500トン • 光電子増倍管 • 内水槽 11,146本の 20インチPMT • 外水槽 1,857本の 8インチPMT • リングイメージで粒子識別 • μ、ｅ、π±、π0 • チェレンコフ光量、リングの方向を用いて運動量を測定。 • 1996年から稼動中 • 今年（2001年）は稼動開始後初めてのオーバーホール、数百本のＰＭＴを交換した。 1000m Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

Super-Kamiokande 1280日の大気ニュートリノデータ + data - MC w/o osc. - MC w/ osc. Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

e-like 事象の U/D ratio + data - MC w/o osc. - MC w/ osc. Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

Allowed Regions for Oscillation Parameters Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

q13について • sin2q13<0.25 @90%CL (sin22q13<0.7) • c2 minimum @ sin2q13~0.02 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

他の実験との比較（sin22q13） Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

大気ニュートリノによるq13 search まとめ • Super-Kamiokande 1280日の大気ニュートリノデータ（Fully Contained events および Partially Contained events）を用いた3世代解析を行った。 • sin2q13<0.25 @90%CL (sin22q13<0.7) • Pure nm→ nt振動と Consistent • 原子炉実験（CHOOZ,Palo Verde）と Consistent Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

JHF-SK nu 実験の q13 search Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

大強度陽子加速器(JHF)-SK ニュートリノ実験の概要 • 基線長 L=295km • ニュートリノ源: • 大強度陽子加速器（JHF） • 50GeV, 0.77MW PS • approved, 建設開始 • 2007年ニュートリノビーム発射 • En＝0.5～2 GeV • 水チェレンコフ検出器に最適 • Particle ID しやすい • QE散乱が主 • p0バックグラウンド • 遠方検出器： • スーパーカミオカンデ • 22.5kt 水チェレンコフ検出器 • 稼動中大強度陽子加速器（茨城県東海村）スーパーカミオカンデ（岐阜県神岡町） 295km KEK Super-K：22.5ktPhase IJHF:0.77MW, 50GeV PS Hyper-K:～1MtPhase IIJHF-II: 4MW, 50GeV PS Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

大強度陽子加速器 茨城県東海村。日本原子力研究所内に建設開始、２００７年完成予定 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

ニュートリノビーム 2horns Far Det. Decay Pipe q Horns • ３種のビームラインを考慮中 • Wide Band Beam (WBB) • 大強度 • Dm2に対して広い領域をカバー • HE tail からのバックグラウンドが大きい • Near/Far のエネルギースペクトラムの違いに由来する系統誤差が大きい • Narrow Band Beam (NBB) • エネルギースペクトラム由来の系統誤差が小さい • ニュートリノエネルギーを調整可 • Off Axis Beam (OAB) • 大強度のナロウバンドビーム • HE tail が NBBよりも多い • ニュートリノエネルギーの調整は難しい Wide Band Beam Narrow Band Beam momentum selected p Off Axis Beam Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

Off Axis Beam (another NBB option) Far Det. q Decay Pipe Horns Target (ref.: BNL-E889 Proposal) ビームライン自身はWBB。検出器をビーム中心から数度ずらす。 Decay Kinematics （ほぼ）monochromaticなビームが得られる。 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

期待されるSKでのニュートリノ反応数 NBB (GeV) (/22.5kt/yr) WBB OAB (106/cm2/1021POT) Tot. (CC) Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

エネルギースペクトルの比較 Linear Log WBB NBB OAB Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

ne の混入率 NBB (LE2p) OAB (2degree) m-decay K-decay K-decay 0.73%(total) (0.15%@peak) 1.0%(total) (0.21%@peak) Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

neのシグナル • ne Q.E. C.C. interaction • ハドロンなし • 電子シャワー • single e-like ring • Cherenkov Angle ～ 42o • ニュートリノエネルギーを再構成可能 e+- shower ne Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

バックグラウンド： N.C. p0 production • p0→2g • ２つのシャワー • 2ringが重なったり片方が非常に暗い場合: • single ring に見えてしまう • NC反応のためニュートリノエネルギーを再構成できない • HE tailからのなだれ込み n n p0→2g 2 showers Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

ne selection • SK 大気n official selection (single-ring e-like): • Fully Contained (No Anti-counter Activity) • Single e-like ring • Evis > 100MeV • No Muon Decay Electron • Tight e/p0 separation • ビームに対するシャワーの方向 • cosqne: p0からのgの場合,超前方に出やすい • ２つめのリングを強制的に探す • E(g2)/E(g1+g2): BGでは大 • 1-ring like と 2-ring like のlikelihhod値の違い • Invariant mass : BGではp0 mass、neでは小 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

BG、シグナルのエネルギースペクトラム • Quasi-Elastic 散乱としてニュートリノエネルギーを再構成 • Oscillation maximum 前後でエネルギーカット • 0.4GeV< E <1.2GeV (OAB2o) Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

BG,シグナルの期待値 Dm2=3x10-3eV2, sin22qme=0.05 OAB 2deg. Number of events for JHF(0.77MW) 5yr exposure to Super-Kamiokande(22.5kt) Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

q13に対する感度、測定精度 • 5年間のビーム照射により • 感度 • sensitive down to sin22qme~0.003(sin22q13~0.006) @90% C.L. • 測定精度 • ~15% @sin22q13~0.1 • ~70% @sin22q13~0.01 ２°OAB 5year、(.ssys=0.1Nexp) √sstat2+ssys2 sstat. ２°OAB 0.1+0.018-0.014 0.03+0.010-0.007 sin22qme sensitivity 0.01+0.007-0.006 0.003+0.006-(0.003) Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

Dm213=3x10-3eV2以外では： • sin22qme~3x10-3@Dm2=3x10-3eV2 • Enの調整により大気ニュートリノで許されるDm2 全体に対し sin22qme~5x10-3まで感度を持つ。 • sin22q13＝2sin22qme~1x10-2 @90% C.L. Dm2atm Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

ssys.=10% x Nexp と言っているが. . . • 達成するためにはかなり高精度な測定が必要 • p-N interaction → HARP • n-N interaction → NuInt W.S. • Reconstruction etc. . . • ひとつの安心材料 • K2K 前置検出器(1kt 水チェレンコフ) • Observed # of p0： 4120 • Observed # of m: 16487 • (p0/m)DATA/(p0/m)MC = 1.03±0.02±0.02±0.09 • JHFnuでもさらに高性能な前置検出器が必要 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

2km 前置検出器 Far/Near ratio • 280mではfar/nearratioが十分flatではない • 2km離れるとほぼflat • 水チェレンコフ検出器はhigh event rateにあまり強くない • 原研から約2kmの場所に検出器を置くことを検討中 2km 280m 0 5 0 5 En(GeV) En(GeV) 0 2 4 6km Target 30m JHF site 20m Pacific ocean 10m 4m ν 40m @2km Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

SUMMARY • JHF-SK Neutrino 実験：２００７年開始予定 • 5年間（～5ｘ1021pot）のニュートリノビームで： • sensitivity: sin22q13~.01 @ 90%C.L. • resolution: ~15% for sin22q13~.1,~70% for sin22q13~.01 • CP 測定については午後の小林さんのトークに乞うご期待。大気ニュートリノによるq13探索： • Super-Kamiokande 1280日の大気ニュートリノデータ（Fully Contained events および Partially Contained events）を用いた3世代解析を行った。 • sin2q13<0.25 @90%CL (sin22q13<0.7) • Pure nm→ nt振動と Consistent • 原子炉実験（CHOOZ,Palo Verde）と Consistent Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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