1ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ－原子核反応斷面積

と

T2Kneardetector中家剛（京大理）日本物理學會2007年春3月27日＠首都大學東京K2K2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。最近腳光を浴びている。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nmp<<<<<<nmnp3SeriesofWorkshopsNuInt07GranSasso4ContentsK2K実験とT2K実験ニュートリノ?原子核反応斷面積（K2K実験）K2Kビームと前置ニュートリノ測定器CCQuasi-Elastic反応CC/NC-1p反応NC1p0CC-coherentpNuclearde-excitationgandNCelasticExpectednewresultsfromK2KT2KNearDetectors（T2K実験）T2KnBeamT2KND280withNewTechnologySummary51.K2KandT2KJ-PARCK2K(KEKto[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(Tokaito[2]Kamioka)2009~世界最高感度の加速器ニュートリノ振動実験KEK62.ニュートリノ?原子核反応斷面積（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{39pageslong}ニュートリノ反応斷面積：３編NC-1p0の生成斷面積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）CCcoherentp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）CCQuasi-Elastic反応のAxialVectorMassの測定ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上（信號の理解）7ＧｅＶ領域のニュートリノエネルギー測定nm+

n

→

m+

pm-p(Em,pm)qmQEinelasticCCquasielastic(QE)CCinelasticnm

+n

→

m

+p

+pnm-p(Em,pm)qmp’sニュートリノエネルギーは終狀態のみから測定可能。入射エネルギーは分からない。終狀態準弾性散亂（~50%）非弾性散亂（~50%）?各種のニュートリノ反応の理解が重要。82.1K2Kビームと前置ニュートリノ測定器K2KBeam~98%purenmbeamwith<E>~1.3GeVK2KNearDetectors4detectorswithH2O,HCandFetargets.LeadGlassorK2Knbeam92.2CCQuasi-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ScintillationFiberplanesandWaterTargetsandwichtrackingdetectorPm>600MeV/cPp>600MeV/cnotalwaysseenmpCC-QEcandidateevent10(＊)A,B,Cはq2、F1V、

F2v、

FAの関數。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。Axial-VectorFormFactorwithadipoleapproximation.(onlygivenfromnscattering)11MA=1.20±0.12GeV/c2LargestsystematicerrorsMuonmomentumscale: 0.07neutrinobeamflux: 0.07notusedinfit(nucleareffect)withQQE2(GeV/c)2QQE2(GeV/c)2One-trackevents.Two-trackQEevents.(aprotonwithQEkinematics)PRD74(2006),05200212Discussionw/thepastmeasurementsWemeasuredMAfromtheq2shape.Systematicdifferencefromthemeasurementofthetotalcrosssection?s(nm

n

m-

p)NeutrinoEnergy(GeV)

s(10-38cm2)K2KCC-QEcrosssectionMA(GeV/c2)K2Kresult00.811.210-1110132.3CC/NC-1p

反応(NC-1p0)NC:n+N→n+N’+p01KTWaterCherenkovDetectorTwoElectronRingEvents.Reconstructgginv.mass.Mgg(MeV/c2)NotNC-1p0NC-1p014Animportantchanneltostudyneappearance.Afurtherstudyisnecessary!NuclearEffectnonNC-1p0channel.?modelpredictionwithNEUT:0.065NEUTPLB619(2005),255-26215InK2K,therewasalong-standingpuzzleofthedeficitofforwardgoingmevents.小さなCCcoherentp

斷面積が原因.2.3CC/NC-1p反応(CCcoherentp+)nmpN*NN<<nmpp*t~0<<<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。CC1p(n+N

m+N+p)

Coherentp

16SciBarDetectornExtrudedscintillator(15t)Multi-anodePMT(64ch.)Wave-lengthshiftingfiberEMcalorimeter1.7m3m3m抽出型シンチレータを波長変換ファイバーで読み出す。2.5x1.3x300cm3

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

Hightrackfindingefficiency(>99%)

ClearidentificationofνinteractionprocessCC-QEeventcandidate17Q2distributionintheCC-coherentpsampleSignalRegion(S/N~1)CCcoherent-p

事象は観測されなかった。?modelpredictionwithNEUT:2.66710-2Newandmodifiedmodelsareproposedtoexplainthesmallcrosssection.18HowistheNCcoherentpcrosssectionatthelowenergy?0.65x10-40PRL95,252301(2006)Coherentpcrosssection192.4Nuclearde-excitationgandNCelasticNC:n+p→n+pg15N*16OnnpProtonDecay:p→nK+16OnK+g15N*20p

nK+Signal

--Promptgtagisaverypowerfultool.2,200ns211KTNeutrinoBeamdataAnalyzed~1/10K2Kdata.Observation:6504.1events.MCprediction:5273events.Data/MC=1.23±0.04(stat.)±0.06(sys.)MCFirstObservationofgraysfromde-excitationofnucleiinducedbyneutrinointeractions.Goodconfirmationofpromptg-raytagintheprotondecaysearch.GoodNCsamplesforneutrinooscillationstudy.~60%NC-elastic~80%NCinteractions.Nucl.Phys.Proc.Suppl.159(2006),44-49

222.5ExpectedNewResultsfromK2K1KTCC1p0studyforprotondecaysearchBGSciBarCC1p+productioncrosssectionCCp0productioncrosssectionMore?232.5degbeamcenter28.5mGroundlevelOff-axisDetectorOn-axisDetectorNeutrinoProfile&thebeamcenter3.T2KNearDetectorsMagnet:0.2Touter:6.1m(H)x5.6m(W)x7.6m(L)inner:3.6mx3.5mx7.0mNeutrinoBeamFlux&SpectrumNeutrinoInteractions243.1T2KnBeamSK

n

NearDetectorBeamdumpm-monitorDecayVolumeTarget&hornExtractionpoint280mOAOA3

OA0

OA2

OA2.5

nenergyspectrum(flux

CrossSection)OscillationProb.

@L=295kmDm2=2.5

10-3,

3.0

10-3[eV2]Conventionalnmbeam:p+Graphitetarget

p’s

p+orp-isfocusedselectively

by3electromagnetichorns.

p+

m++nmorp-

m-+nmOff-Axistechnique:(OA=2

~2.5)Tunenenergyatoscillationmax.Reducethehighenergyneutrinos.25Spectrometerinthemagnet.Finer-GrainedtargetDetector(FGD)11cm2segmentation(SciBar:2.51.3cm2)LargeTPC(2.52.51m33)EMcalorimeterandMuonCatchersurroundsp0dedicateddetector(P0D)PhysicspurposeMeasuren-fluxinSKdirection:FnND(En).Measurenm,nmandne+nefluxes.Neutrinoenergyw/CC-QE.CrosssectionsofninteractionsCC-1p:BGforEnreconstructionNC-1p0:BGfornedetection~0.1events/ton/spillReuseofUA1magnet3.2T2KND280-offaxis26ND280andNewTechnologyNewphoto-sensor(Multi-pixelSiAPDs)forallscintillatordetectors:P0D,FGD,ECAL,SMRDMuonRangeDetectorP0DDedicatedp0DetectorECALforp0ne2FGD+3TPCfornmw/WaterTargetw/Micromegas8mmUA1/NOMADmagnetw/0.2T(3.5

3.6

7m3)FGDscintillator10mm1mm1mmHPKMPPCCPTAMRS-APDw/WaterTarget27(copyfromhttp://cbernet.home.cern.ch/cbernet/Micromegas)MicromegasforTPC2829NewPhotoSensors(maybefamiliarasSiPM)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)）012345678光子計測MRSAPD(Russia)HPKMPPC(Japan)KEK測定器開発室を中心に開発?試験中T2K実験で約60,000チャンネル使用（2007-2008年）1mm100mm30CCQECCQECCQEPpqmPm012(GeV/c)01234(GeV/c)04080120160(degree)NeutrinoInteractionsatND280314.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（後半の講演參照）。Δsを測る？様々なパズル ①ＣＣとＮＣのコヒーレントπ反応の斷面積比は？ ②ＣＣ-ＱＥのフォームファクターは？なぜMA~1.2? ③ニュートリノ反応斷面積の絶対値？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。32SummaryK2K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(主に外國人メンバーによる)。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！33Backup34NONNC-1p0fraction35Q2distributionintheCC-coherentpsampleNoEvidenceofCC-coherentpprocessatlowenergySignalRegion(S/N~1)IntheSignalRegion,

Observation:113BGestimate:111.410.6(stat.)SignalpredictionbytheRein&Sehgalmodel:9936Upperlimitonσ(CC-coherentp)/σ(nmCC)

pabsorptioninthenucleus+0.171,-0.08BGestimationfromCC-1p +0.144,*Nucleareffectandneutrinointeraction(+0.273,-0.253)MainSystematicuncertainties?Rein&Sehgal:2.667x10-2

37ANovelIdea:PromptgtagAprotonin16Odecays(ordisappears)

?

41%

6.3MeVg-raygenerates

ThispropmtgeventswillbemeasuredatK2KbyNCelasticscattering(n+16O

n+15N*+p).g15N*16OnK+Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:44-49,2006

381-ringm-like215

pm

260MeV/c1DecayelectronNoprotonring7

Nghit

60(promptg)Efficiency

=8.6%tp/BR(p

nK+)>

1.1x1033

years(90%CL)w/0.7expectedBackgroundevents

Nghit39J-PARCschedulew/beampowerestimationHardwareupgradeisnecessaryfor1MW.0.75MWTargetdatefornewRFsysteminstallation.4014Iron/Scisandwichtrackersareplacedwitha“crossshape”aroundthebeamaxisEachtrackerconsistsof10ironplatesand11scintillatorstripplanes+vetoplanesaroundeachtracker10cm10cm

x&yviewsOn-AxisNeutrinoMonitor(INGRID)Design-ADesign-BOR-ExtrudedScintillators

-Photo-Sensor(MPPC/SiPM)41K2K-SciBarFGDScinitillationcounter:1cm1cm(bettersegmentationthenK2K)2300mm365mm2iPlasticFGD:15XYmodules(30layers)iWaterFGD:7XYmoduleswith6waterlayers(2.5cm/layer)iNominalscnitillatorbar:1cmx1cmx185cm42Measurethemomentaofallchargedparticles:m,e,p,..ParticleIDforeversusm.Gasamplificationdevise: