The OPERA Collaboration:
170 physicists, 33 institutions in 12 countries
OPERA
2011年7月1日
「フレーバー物理の新展開」研究会
佐藤 修 （名古屋大学）
OPERA: CERN CNGS1 and LNGS experiment
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
A. Ereditato - LNGS - 31 May 2010
http://operaweb.lngs.infn.it/ 1
1
OPERAの目的 :
長基線ニュートリノビームラインCNGSでνμ→ντ振動をアピアランス法で検証する。
CERN SPS

CNGS, conventional, pure  beam
< E >
(e + e) / 
 / 
 prompt
17 GeV
0.87 %
2.2 %
negligible

Appearance
Underground Laboratory
INFN Gran Sasso
( Δm232 = (2.43±0.13)×10-3 eV2 , sin22θ23 = 1.0, L/E = 43km/GeV)
[ Phys.Rev.Lett.101:131802,2008.]
μ τ ~ sin 2 223  sin 2 1.27 m2 23  L  ~ 1.7%
P　E

主検出器 ECC
75.4mm
125mm
57枚 OPERAフィルム (飛跡検出)
56枚 鉛板 (ニュートリノ標的)
8.3kg 10X0
Neutrino Beam
100mm
今年のラン終了
時5E19 以上
行きそう。
実績値
+0.4E19
CNGS beam performance
Year
Beam
days
その年の
P.O.T. (1019)
積分POTの
プロポーザル比
2008
123
1.78
7.9%
2009
155
3.52
23.6％
2010
187
4.04
41.5％
2011
101
2012
予定
2.69 @Jun27
5. ＠11月末
4.5
53.5％
63.7％
83.7％
プロポーザルＰＯＴ ： 22.5 1019
The OPERA Detector
Super Module 1
Target section
Super Module 2
Muon spectrometer
Target section Muon spectrometer

1.25ktonのターゲット 15万個のECC
The OPERA Detector
Super ModuleECC
2
Super Module 1
Target section
Muon spectrometer
brick
Target section Muon spectrometer

Brick Manipulator System
1.25ktonのターゲット 15万個のECC

Examples of Neutrino Event
ν
ECC
The OPERA Detector
ν
TT
2.6cm
10cm
ECC
12.5cm
Changeable
Sheet (CS)
“New” Nagoya Scanning Station
2008年～2011年4月まで東濃鉱山（土岐市）の事務所間借り。
201１年４月名古屋大学に帰還。
5S-UTS
Neutrino event location
ECC
STOP

CS
5 mm
CS  ~100cm2 large area scan
ECC  ~100100m2 point scan
How to locate
1. Connect track CS to ECC.
2. Follow up track in ECC.
(Scan Back method)
3. Confirm the stop plate.
4. Scan around stop plate.
The Plate changer system for
Scan Back in Japan.
Films of ECC put to a seat for
changing plates easily.
4 hour to scan full area
Of one film 10cmx10cm
SutsでCSすきゃん
1. E 08 tracks / Film
Zoom in
microscope
view
100 micron
10mm
tanθ = 0.5
Using 2 films (4 emulsion layer) hits
Only tracks record at experimental hall ,
tracks from neutrino events.
160 micron
Requesting
 Tracks position difference ~ micron
 Tracks angle difference
 Manual eye inspection
2films
600micron
Microscopic side view
1cm
CS full size frontal view
DATE
2011/6/28
2011/5/28
2011/4/28
2011/3/28
2011/2/28
2011/1/28
2010/12/28
2010/11/28
1400
2010/10/28
1600
2010/9/28
2010/8/28
2010/7/28
2010/6/28
2010/5/28
# OF EV
CS Scanning
CS_SCAN
2010+2011runs
2000
1800
引越し後
59.5ev/week
引越し前
51.8ev/week
1200
1000
800
系列1
系列2
系列3
600
400
200
0
1 cm

1cm ・1cm・10枚
１)鉛を越えてつながらないもの
低エネルギーの環境放射線
ベータ・ガンマ
２）全プレイトを貫通するもの
１）、２）を排除
反応点確認。
崩壊点探索用データ。
位置精度~ミクロン
角度精度~2mrad
追い上げのストップ点の信頼性
2010年6月1日から2011年6月15日までに1017本（921イベント）をECC中でStopと判定した。
うち、633本（558イベント）がネットスキャン解析によりVertex が組めている。
これを使って正しい位置までトラックが追えたか評価。
±０ 476
±１ +7+60
±２ +1+14
More +7+47
81.1% = 476/588
92.3% = 543/588
94.9% = 558/588  約95%がプレイト２枚以内でただしく追えている。
１反応あたりの解析CS枚数
Decay topology search
IP distribution for
 events (MC)
Decay Pt ~ 460MeV/c
Kink angle
= 209mrad
+
Charm
Flight Length
= 1330micron
1ry 
IP distribution for:
 events (MC)
NC+CC  events (MC),
NC+CC  events (Data)
A Charm event (dimuon event)
OPERA 解析反応数
イベントトリガー
2011
ECC取り出し
2010
ECC正解
2009
反応点検出
崩壊探索完了
2008
反応点検
3513 反応
崩壊探索完了 3232 反応
Vertex position (2008&2009run)
x-projection
y-projection
CC
NC
１bin=5mm
ニュートリノ反応点からのトラック本数分布 (2008＋2009run @20110606)
CC
NC
核破砕片の反応点探索への利用
角度
アクセプタンスθ
・OPERAフィルム中に核破砕片のBackGroundはごく少ない
・核破砕片のスキャンefficiencyはほぼ100%
反応点探索に利用すべき！
活用
結果
スキャンバックトラックを追い上げると1本のままいなくなり、
反応点と断定できなかったイベントで核破砕片探索
角度アクセプタンスtanθ<0.6のスキャンで28%のイベントで核破砕片を発見、
（ＶＴＸを作っているイベントと変わらない値）
核破砕片の反応点探索への利用
さらに角度アクセプタンスを広げたい
(Tanθ<1.0 ではＶＴＸイベントの80+-20%で発見)
開発
さらに角度アクセプタンスを広げてとる開発
結果
角度アクセプタンスtanθ<3.5までのスキャンが可能になった。
（Tanθ<0.6のときの約4倍の数の核破砕片の発見が期待できる。）
現在、論文にまとめている解析集団。
2008+2009 runs
Events predicted by the electronic detector
Interactions located in ECC
0mu 1mu All
1503 3752 5255
519 2280 2799
Located in dead material
Decay search performed
54 245 299
494 2244 2738
1088 in Phys. Lett. B691 (2010) 138
ニュートリノ2010の2.5倍。
Charm events as a control sample (data versus MC)
Topology
Observed events
Expected events
Charm
Background
Total
Charged 1-prong
13
15.9
1.9
17.8
Neutral 2-prong
18
15.7
0.8
16.5
Charged 3-prong
5
5.5
0.3
5.8
Neutral 4-prong
3
2.0
<0.1
2.1
39
39.1±7.5
3.0±0.9
42.2±8.3
Total
Angle between the charmed particle and the
primary µ in the transverse plane
Decay length of charmed particles
チャームはちゃんとつかまっている。
Detection of the first 
candidate event
PLB691 (2010) 138
Neutrino 2010
28/06/2011
Variable
Value
kink (mrad)
41 ± 2
decay length (µm)
1335 ± 35
P daughter (GeV/c)
12 +6-3
Pt (MeV/c)
470 +230-120
missing Pt (MeV/c)
570 +320-170
ϕ (deg)
173 ± 2
τニュートリノ反応検出数の期待値
Decay channel
→µ
→ e
→h
 → 3h
Total
Number of signal events expected for
22.5×1019 p.o.t.
Analysed sample
1.79
2.89
2.25
0.71
7.63
0.39
0.63
0.49
0.15
1.65
ちなみに2011年ランまで解析完了→4.86個、BG=0.35
2012年ランまで解析完了→6.38個、BG=0.46
• One  candidate observed in the  → h channel
where 0.49±0.12 events are expected
with a background of 0.05±0.01 event
• The probability for the event not to be due to a background
fluctuations is 95%
バックグランド
•
•
•
Production and decay of charmed particles
Hadron re-interactions
Large angle µ scattering
Decay
channel
→ µ
→e
→h
 → 3h
Total
Charm
0.025
0.22
0.14
0.18
0.55
Number of background events for:
Analysed sample
22.5×1019 p.o.t.
Hadron Muon Total
Charm Hadron Muon Total
0.00 0.07 0.09±0.04
0.00
0.00 0.02 0.02±0.01
0
0 0.22±0.05
0.05
0
0 0.05±0.01
0.11
0 0.24±0.06
0.03
0.02
0 0.05±0.01
0
0 0.18±0.04
0.04
0
0 0.04±0.01
0.11 0.07 0.73±0.15
0.12
0.02 0.02 0.16±0.03
• Charm production cross-section increased (last CHORUS data)
• Fragmentation fraction into D+ increased from 10% to 22%
• Improvements due to the track follow-down
• Significant reduction of the background in the →µ channel
 beam testによるハドロンバックグランドの検証
Two 4 GeV/c  beam exposures: KEK and CERN
•  190 m of tracks
• one order of magnitude larger
• 534 interactions detected
• 214 kinks detected
• No events in the signal region
若手セッション：松尾
Signal region
核破砕片探索による崩壊検証
タウニュートリノの約7割がハドロニック崩壊であり、ハドロン粒子の反応がBackGround
タウ粒子崩壊点からBlackTrackはでない。
→崩壊候補点からの核破砕片の有無を調べてやれば
崩壊点かハドロン反応点かの検証ができる。
研究
ハドロン反応からどれだけ核破砕片がでるか評価
結果
IP<50μm ,角度アクセプタンスtanθ<3.0 で62%の
反応点に核破砕片がついていることを確認
Search Area
タウ崩壊点候補からの核破砕片がないことを確認すればハドロン反
応によるバックグラウンドを約60%減らせる。
Electron Neutrino in OPERA
ビーム混入の電子ニュートリノ＝0.87 %
CUT @ 20GeV
2008年＋2009年照射
2244 μ付き反応
494 μなし反応
2244*0.0087=19.5個程度期待される。
intrinsic νe etc
νμ→νe
Evis spectra Δm223 =2.5 10 -3 eV2
Sin2(2θ13)= 0.14 (CHOOZ limit)
電子ニュートリノ反応候補事象集積中。
現在：１０数例。
検出効率の見積もり。
イベントのエネルギー測定。
バックグランド事象見積もり。
若手セッション：北川
まとめ
• 2011年ニュートリノ照射CNGSは順調で2008年からの４年間での
最高値＝５・１０１９pot に届く勢い。
• 照射４年目、フィルムの品質は問題ない。
• 2008年、2009年照射分のスキャン・解析終了。
‐ 2738事象の崩壊点探索終了
‐ 期待値=1.65個に対してτニュートリノ反応候補１候補。
‐ 論文投稿準備中、第１論文の2.5倍の解析完了数。
• 上記論文の為、ECCの縁や角の反応まで丁寧に検出。
- １反応検出するのに複数個取り出す必要のあった反応に手間。
• 2010年、2011年照射分の解析。
- 既にCSでニュートリノ反応からの飛跡を捉えてECCを現像してあるの
の反応点検出及び崩壊探索を進める。
- １年程度で解析完了統計を倍にする事をめざす。

ニュートリノ照射は今年と2012年の照射まで予定。
Back Up
Target mass evolution
Last BAM prod
-5%
Black CS change
2008
2009
2010
2011
2011 run: integrated pot so far
While analyzing 2008/09:
analysis of 2010 and 2011 runs in progress
Status of the 2010 run
0mu
Events predicted by the electronic detector 1165
Extracted CS
1146
CS Scanned
1043
1mu
2747
2700
2517
All
3912
3846
3560
Found in CS
Interactions located in ECC
Decay search
1420
558
381
1909
714
494
479
156
113
Improvements in the understanding of the electronic detector
New Journal of Physics 13 (2011) 053051
µ momentum x charge
Reconstructed energy for 1µ events
Y- Bjorken for 1µ events
Spectrometer µ
Multi Track VTX
CC
NC
Single Track VTX
Full emulsion simulation
OpEmurec code
Vertex position distribution within the brick:
Located interactions for events without µ in the final state are
compared with OpEmurec simulation

Further background reduction: detect highly ionising
particles produced in hadron interactions
Up
Down
plate
plate
Nuclear
Fragments
h
Daughter
8 GeV  49 views
h
ν
Daughter
IP
NC
Fragments slope distribution
Data/MC (Fluka) comparison
Highly ionising fragments
Backward
fragments
Forward
fragments
kink probabilities: (1.53 ± 0.10) x 10-4 kinks/NC (2 mm Pb) 20% less
The first  candidate survives this cut
Background reduction: systematic track follow-up for muon detection
Tested in the analysis of the first  candidate
BG sources:
•Charm
•Hadronic interactions in µ CC with misidentified µ (→h channel)
•Hadronic interactions in µ CC and NC (→µ channel)
Track follow-down analysis
 Interaction visible in the brick
 Momentum/range correlation
Discriminating variable
L
rlead
D=
Rlead ( p) raverage
• Mis-ID muons in charm events 3.28% (was
5%)
• 2 orders of magnitude reduction of the →µ
background due to µ mis-match in CC and NC
events
L = track length
Rlead = µ range
ρaverage = average density along the path
ρlead = lead density
p = momentum measured in emulsion
Hadrons and muon
stopping in the brick
Electron Neutrino in OPERA
Origin of the intrinsic νe
CUT @ 20GeV
intrinsic νe etc
νμ→νe
Evis spectra Δm223 =2.5 10 -3 eV2
Sin2(2θ13)= 0.14 (CHOOZ limit)
  e oscillation search
Sin2213 sensitivity
Assuming : 23=/4, m223 = 2.5 x 10-3 eV2
Signal
@ CHOOZ limit
13.0
e
4.5
CC
1.0
NC
5.2
eCC beam
CHOOZ
sin2213
Nb of events
( 5 years running )
18.0
5 years nominal
systematics
Pot(x1019)
Kamioka
Tono mine
Toki
Nagoya
Kyoto
Osaka
Tokyo