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）
1
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
m
m
n
n
<
<
<
<
<
<
n
p
p
2
Series of Workshops
Gran Sasso
NuInt07
3
Contents
1.
2.
K2K実験とT2K実験
ニュートリノ・原子核反応断面積（K2K実験）
1. K2Kビームと前置ニュートリノ測定器
2. CC Quasi-Elastic反応
3. CC/NC-1p反応
1. NC 1p0
2. CC-coherent p
4. Nuclear de-excitation g and NC elastic
5. Expected new results from K2K
3.
T2K Near Detectors（T2K実験）
1. T2K n Beam
2. T2K ND280 with New Technology
4.
Summary
4
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
5
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）
6
ＧｅＶ領域のニュートリノエネルギー測定
CC quasi elastic (QE)
nm + n → m + p
CC inelastic
-
m
m
(Em, pm)
p
m N E m  mm 2
2
En 
nm + n → m + p + p
m
n
-
m
(Em, pm)
p’s p
m N  E m  pm cos  m
 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
inelastic
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。
QE
7
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.
8
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
9
d CC QE
dq2
2



m G cos  c
su 
2
2 su
2

 A(q )  B(q ) 2  C (q )

2
4
8pEn
mn
mn 

(＊)A,B,Cはq2、F1V、 F2v、 FAの関数。
FA ( q 2 )  
2
n
2
F
2
1.2720
1  (q
2
2
A

M )
2
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？）
d/dq2の分布の形でMAを
測定する。
10
PRD74(2006), 052002
 MA= 1.20±0.12 GeV/c2
 Largest systematic errors
 Muon momentum scale: 0.07
 neutrino beam flux:
0.07


2
QQE
 2 EQE Em  pm cos  m  mm2
with
EQE 
One-track events.
QQE2 (GeV/c) 2
not used in fit (nuclear effect)
m N E m  mm2 2
m N  E m  pm cos  m
Two-track QE events.
(a proton with QE
kinematics)
QQE2 (GeV/c) 2
11
Discussion w/ the past measurements
(10-38cm2)
K2K result
0
0.8 1 1.2
MA
(GeV/c2)
CC-QE cross section
K2K nm nm p)
10-1
1
10
Neutrino Energy (GeV)
 We measured MA from the q2 shape.
 Systematic difference from the measurement of
the total cross section?
12
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
13
Mgg (MeV/c2)
 NC 1p
 0.064  0.001( stat .)  0.007( sys .)
 CC  all
⇐ model prediction with NEUT: 0.065
 An important channel to study ne
appearance.
 A further study is necessary!
PLB 619(2005), 255-262
0
 Nuclear Effect
 NEUT
non NC-1p0 channel.
14
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.
CC 1p (n+Nm+N+p)
n
m
<
< N*
N
p
N
n
Coherent p
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。
m
p
t~0
15
SciBar Detector
• ~15000 チェンネル
Multi-anode
• 短いトラックも見える (>8cm)
PMT (64 ch.)
• πと陽子をdE/dxで識別
High track finding efficiency (>99%)
Clear identification of ν interaction
process
n
CC-QE event candidate
3m
Extruded
• 抽出型シンチレータを波長変換ファイ
scintillator
バーで読み出す。
(15t)
• 2.5 x 1.3 x 300 cm3 セルサイズ
1.7m
Wave-length
shifting fiber
16
Q2 distribution in the CC-coherent p sample
Signal Region
(S/N ~ 1)
CC coherent-p 事象は観測されなかった。
 CC  coherent p
 0.608  10 2 (90%C . L.)
 CC  all
⇐ model prediction with NEUT: 2.66710-2
New and modified models are proposed to explain the small
cross section.
17
Coherent p cross section
PRL95, 252301 (2006)
0.65x10-40
 How is the NC coherent p cross section
at the low energy?
18
2.4 Nuclear de-excitation g and NC elastic
 NC: n + p → n + p
Proton Decay: p→nK+
16O
n
n
15N*
16O
K+
n
15N*
g
p
g
19
pnK+ Signal
-- Prompt g tag is a very powerful tool.
2,200ns
20
First Observation of g rays from de-excitation of
1KT
Neutrino
datainteractions.
nuclei
inducedBeam
by neutrino
 Good confirmation of prompt g-ray tag in the
 Analyzed
~1/10
K2K data.
proton decay
search.
Good NC samples
for neutrino
Observation:
6504.1
events.oscillation study.
 ~60% NC-elastic
 MC
prediction:
5273 events.
 ~80%
NC interactions.

 Data/MC = 1.23 ±0.04(stat.) ±0.06(sys.)
MC
21
Nucl.Phys.Proc.Suppl.159 (2006), 44-49
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?
22
3. T2K Near Detectors
Off-axis
Ground
level
Detector
2.5deg beam center
28.5m
On-axis
Detector
Neutrino Profile
& the beam center
Neutrino Beam Flux & Spectrum
Neutrino Interactions
Magnet: 0.2 T
outer: 6.1m(H) x 5.6m(W) x 7.6m(L)
23
inner: 3.6m x 3.5m x 7.0m
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)
Extraction point
 Tune n energy at oscillation
max.
Oscillation
Prob.
 Reduce the
high
energy
@ L=295km
neutrinos.Dm =2.510 ,
2
n energy spectrum
Decay Volume
-3
3.010-3[eV2]
(flux  Cross Section)
OA0
OA2
OA2.5
OA3
Target &horn
280m
Beam dump
m-monitor
OA
n Near Detector
24
SK
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)
Reuse of UA1 magnet
~0.1 events/ton/spill
Physics purpose
 Measure n-flux in SK direction :
FnND(En).
 Measure nm, nm and ne+ne fluxes.
25
ND280 and New Technology
P0D
Dedicated p0
Detector
w/ Micromegas
8mm
UA1/NOMAD magnet
w/ 0.2T
(3.53.6  7m3)
2FGD + 3TPC
for nm
FGD
scintillator
w/ Water Target
w/ Water Target
Muon Range Detector
CPTA
MRS-APD
 New photo-sensor (Multi-pixel Si 1mm
APDs) for all scintillator detectors:
P0D, FGD, ECAL, SMRD
10mm
ECAL for
p0
ne
HPK MPPC
1mm
26
Micromegas for TPC
(copy from http://cbernet.home.cern.ch/cbernet/Micromegas)
27
28
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
1
HPK MPPC
(Japan)
4
0
1mm
光子計測
3
5
6
7
100mm





8
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)）
29
KEK測定器開発室を中心に開発・試験中
Neutrino Interactions at ND280
CCQE
Pp
0
1
2 (GeV/c)
CCQE
CCQE
m
Pm
30
0
1
2
3
4 (GeV/c)
0
40
80
120
160 (degree)
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
31
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！
32
Backup
33
NON NC-1p0 fraction
34
Q2 distribution in the CC-coherent p sample
Signal Region
(S/N ~ 1)
In the Signal Region,
 Observation:
113
 BG estimate:
111.410.6(stat.)
 Signal prediction by the Rein&Sehgal model:
99
No Evidence of CC-coherent p process
at low energy
35
Upper limit on σ(CC-coherent
p)/σ(nmCC)
 (CC  coherent p )  (n m CC )
331
 {0.044  0.291( stat .)  00..363
( syst .)}  10  2
 0.608  10- 2 (90%CL)
⇔ Rein & Sehgal : 2.667 x 10-2
Main Systematic uncertainties
Nuclear effect and neutrino interaction (+0.273, -0.253)
p absorption in the nucleus
BG estimation from CC-1p
+0.171, -0.08
+0.144, *
36
A Novel Idea: Prompt g tag
Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:44-49,2006
n
K+
16O
15N*
g
 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
16
15
*
37





1-ring m-like
215pm260MeV/c
1 Decay electron
No proton ring
7Nghit60 (prompt g)
Efficiency = 8.6%
Nghit
tp/BR(pnK+) > 1.1 x1033 years (90% CL)
w/ 0.7 expected Background events
38
J-PARC schedule w/ beam power estimation
0.75 MW
Hardware upgrade is
necessary for  1MW.
39
Target date for new RF system installation.
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
Design-A
x & y views
OR
10cm
Design-B
+ veto planes around each tracker
10cm
40
FGD
iPlastic FGD:
15 XY modules
(30 layers)
iWater FGD:
7 XY modules with 6
water layers
(2.5cm/layer)
365mm
2300mm
iNominal
scnitillator bar:
1cmx1cmx185cm
2
K2K-SciBar
Scinitillation counter: 1cm1cm
( better segmentation then K2K)
41
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
42
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
fiber
43
Photo-sensor
P0D
iA dedicated NC p0 detector.
Pb(0.6mm) + scintillator (17mm thick) + Water
44
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
45
Summary of the detector technology
No. of channels
Detector
Technology
INGRID
Fe+Scinti+WLS+MPPC/MR
S-APD
9,000
FGD
Scinti+WLS+MPPC/MRSAPD (+Water)
8,500
TPC
Micromegas
124,000
ECAL
Pb+Scinti+WLS+MPPC/MR
S-APD
22,000
P0D
Pb+Scinti+WLS+MPPC/MR
S-APD (+Water)
11,000
Scinti+WLS+MPPC/MRSAPD
10,000
SMRD
46
47
48