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 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）

始めに n m p 古い物理：~1980年頃に主に泡箱で測定された。 最近脚光を浴びている。 ニュートリノと原子核反応（～GeV領域） 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 < n m p m n p

Series of Workshops Gran Sasso NuInt07

Contents 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 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

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

2.ニュートリノ・原子核反応断面積（K2K実験） 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）

ＧｅＶ領域のニュートリノエネルギー測定 p’s CC quasi elastic (QE) CC inelastic 　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 m- nm + n → m + p + p m- (Em, pm) qm (Em, pm) qm p n p’s p 　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

2.1 K2Kビームと前置ニュートリノ測定器 K2K Beam K2K Near Detectors 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.

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

(＊)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。

MA= 1.20±0.12 GeV/c2 Largest systematic errors PRD74(2006), 052002 MA= 1.20±0.12 GeV/c2 Largest systematic errors Muon momentum scale: 0.07 neutrino beam flux: 0.07 with One-track events. Two-track QE events. (a proton with QE kinematics) QQE2 (GeV/c) 2 QQE2 (GeV/c) 2 not used in fit (nuclear effect)

Discussion w/ the past measurements K2K result CC-QE cross section K2K s(nm nm- p) s(10-38cm2) 10-1 1 10 0 0.8 1 1.2 MA (GeV/c2) Neutrino Energy (GeV) We measured MA from the q2 shape. Systematic difference from the measurement of the total cross section?

1KT Water Cherenkov Detector 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)

An important channel to study ne appearance. 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. NEUT

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) Coherent p n m n m < p* < < < < N * 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。 N t ~ 0 N

SciBar Detector n EM calorimeter Extruded scintillator (15t) 3m 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 n Multi-anode PMT (64 ch.) 3m CC-QE event candidate 1.7m Wave-length shifting fiber

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。 ⇐ model prediction with NEUT: 2.66710-2 New and modified models are proposed to explain the small cross section.

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

2.4 Nuclear de-excitation g and NC elastic NC: n + p → n + p Proton Decay: p→nK+ 16O n n K+ 16O n 15N* 15N* g g p

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

1KT Neutrino Beam data Analyzed ~1/10 K2K data. 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

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?

3. T2K Near Detectors Off-axis Detector On-axis Detector Ground level 2.5deg beam center 28.5m On-axis Detector Neutrino Beam Flux & Spectrum Neutrino Interactions Neutrino Profile & the beam center 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

3.1 T2K n Beam p + Graphite target  p’s 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 OA2.5 OA n Near Detector OA3 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) 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

ND280 and New Technology P0D UA1/NOMAD magnet w/ 0.2T Dedicated p0 w/ Micromegas 8mm P0D Dedicated p0 Detector UA1/NOMAD magnet w/ 0.2T (3.53.6  7m3) 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 New photo-sensor (Multi-pixel Si APDs) for all scintillator detectors: P0D, FGD, ECAL, SMRD 1mm

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

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 HPK MPPC (Japan) 4 1mm 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)） 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 Pm qm 0 1 2 3 4 (GeV/c) 0 40 80 120 160 (degree)

4. Summary（個人的見解） ＧｅＶ領域のニュートリノ振動研究に必要不可欠の情報。 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。

Summary K2K実験（1999-2005） Ｔ２Ｋ実験（2009-） 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！

Backup

NON NC-1p0 fraction

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

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, *

A Novel Idea: Prompt g tag Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:44-49,2006 g 15N* 16O n K+ 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).

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 x1033 years (90% CL) w/ 0.7 expected Background events

J-PARC schedule w/ beam power estimation 0.75 MW Hardware upgrade is necessary for  1MW. 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 Design-B OR 10cm 　　　x & y views + veto planes around each tracker

FGD 2 365mm 2300mm iPlastic FGD: 15 XY modules (30 layers) iWater FGD: 7 XY modules with 6 water layers (2.5cm/layer) iNominal scnitillator bar: 1cmx1cmx185cm K2K-SciBar Scinitillation counter: 1cm1cm ( better segmentation then K2K)

TPC 3 Gas amplification devise: Micromegas 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

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 Photo-sensor fiber

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

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

Summary of the detector technology Detector Technology INGRID 9,000 No. of channels INGRID Fe+Scinti+WLS+MPPC/MRS-APD 9,000 FGD Scinti+WLS+MPPC/MRS-APD (+Water) 8,500 TPC Micromegas 124,000 ECAL Pb+Scinti+WLS+MPPC/MRS-APD 22,000 P0D Pb+Scinti+WLS+MPPC/MRS-APD (+Water) 11,000 SMRD Scinti+WLS+MPPC/MRS-APD 10,000