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

1. 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）

2. 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

3. Series of Workshops Gran Sasso NuInt07

4. 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

5. 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

6. 2.ニュートリノ・原子核反応断面積（K2K実験）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）

7. 　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

8. 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.

9. 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

10. (＊)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。

11. 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)

12. 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)

13. 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)

14. 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.

15. 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

16. 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

17. 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。

18. PRL95, 252301 (2006) 0.65x10-40 Coherent p cross section • How is the NC coherent p cross section at the low energy?

19. 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

20. pnK+ Signal -- Prompt g tag is a very powerful tool. 2,200ns

21. 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

22. 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?

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

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

29. 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

30. 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)

31. 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。

32. 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！

33. Backup

34. NON NC-1p0 fraction

35. 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

36. 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, *

37. 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).

38. 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

39. J-PARC schedule w/ beam power estimation 0.75 MW Hardware upgrade is necessary for  1MW. Target date for new RF system installation.

40. 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

41. 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)

42. 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

43. 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

44. P0D • iA dedicated NC p0 detector. • Pb(0.6mm) + scintillator(17mm thick) + Water

45. 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

46. Summary of the detector technology