T2K-2km実験における 水チェレンコフ型前置検出器のための 有効体積キャリブレーションの研究 平成18年1月27日 三塚　岳 東京大学大学院理学系研究科物理学専攻 東京大学宇宙線研究所　梶田研究室

発表内容 T2K実験の概要とT2K-2km前置検出器の説明 本研究の動機 1kton検出器におけるテストデータの収集と解析 　本研究の動機 1kton検出器におけるテストデータの収集と解析 2km検出器シミュレーションを用いた 有効体積キャリブレーションのシミュレーション 結論

T2K実験の概要 東海村のJ-PARC 50GeV陽子シンクロトロンからnmビームを発射し、スーパーカミオカンデで検出する長基線ニュートリノ振動実験(2009年から実験開始予定) 　T2K nmビームの強度がK2K実験の約100倍で、高精度の実験が可能となる ne appearanceの観測 sin22q13の測定とファクター10~20程度のlimitの改善 sin22q23の数%以内の精度での測定 Dm223の精密測定 実験目的 スーパー カミオカンデ ビームライン 2km検出器 280m検出器

T2K-2km前置検出器 有効体積キャリブレーションが必要 nm beam ビームラインから2km下流に建設が予定されている ニュートリノフラックスがスーパーカミオカンデに非常に近い 単位体積あたりの事象数が小さいので非積層型水チェレンコフ検出器 が使用できる 2km水チェレンコフ型検出器のメリット 　スーパーカミオカンデと同じターゲットのためニュートリノ相互作用の 原子核依存性を打ち消すことができる 　スーパーカミオカンデと同じ解析手法を使える 　水チェレンコフ型検出器のデメリット 　有効体積の較正が難しいので、有効体積に起因した系統誤差が大きくなる(K2K 1kton検出器では4.0%) 本研究の動機 有効体積キャリブレーションが必要 nm beam

本研究の動機 有効体積キャリブレーションシステムの提案 m nmビーム 有効体積 小型PMTを有効体積境界付近に設置し、 小型PMTの情報から事象の発生地点を同定する 小型PMTは有効体積内側向きと外側向きを交互に設置し、有効体積内外で発生した事象のチェレンコフ光を検出する 　チェレンコフ光の影を作らないよう、使用するPMTは小型で極力少なく抑えることが望まれる 2km水チェレンコフ型検出器の模式図 m 　1kton検出器でキャリブレーション用PMTの特性を試験し、様々な位置でキャリブレーション用PMTのヒット数、光量を調べる 　2km検出器におけるキャリブレーション用PMTの特性を試験し、有効体積キャリブレーションの効果をシミュレートする キャリブレーション用PMT nmビーム 有効体積

1kton検出器での データ収集と解析

1kton検出器でのデータ収集とその目的 キャリブレーション用PMTの性能をチェックし、様々な位置でキャリブレーション用PMTのヒット数、光量を測定し理解する必要がある 宇宙線パイプ(CRP)を設置した1kton検出器を用いてデータを収集 様々な位置や方向でヒット数、光量を測定し、モンテカルロシミュレーションとの比較を行った 解析結果と結論 水中のキャリブレーション用PMTと支持フレーム 1kton検出器 全体：直径10.8m、高さ10.8m、円筒形 内水槽：直径8.6m、高さ8.5m、円筒形 20インチPMTが680本内水槽に取り付けられている

キャリブレーション用PMTの選択 候補となるPMT PMTに対する要求 影を作らない → 小型PMT(2~3インチ) 水中での使用 → +HVでのoperation ペデスタル 候補となるPMT Hamamatsu R9869 大きさ: 57mm, 76mm length(cathode size: 2-inch) 印加電圧+1000V 測定した1p.e.分布は右図の通りである 1 p.e.ピーク 観測した1p.e.分布

実験装置の説明(PMT支持フレーム、CRP) PMT支持フレーム : ステンレススチール製の1辺120cmのフレーム。キャリブレーション用PMTはフレームに取り付けられ1ktonタンク内に沈められる 宇宙線パイプ(CRP) : 半径28cm、1本あたりの長さが100cmのプラスチック製のパイプで、上下端に設置されたシンチレーションカウンターで鉛直に飛来した宇宙線を選別できる vertical m 120cm PMT支持フレーム 50cm CRP 120cm 28cm 100cm 50cm キャリブレーション用PMT

1kton検出器におけるデータ収集のセットアップ (1)CRPを鉛直方向へずらした場合 CRPの鉛直方向位置Z=200~240cm (2)PMTを水平方向へずらした場合 移動距離20, 32, 33cm (3)PMTを傾斜させた場合 傾斜角q= 30,45° (D=30~70cm) (Dはキャリブレーション用PMT面からCRP下端までの距離) 各位置でのデータ収集時間はおよそ24時間であり、イベントレートは約1.2×10-2Hz

1kton検出器シミュレーション 仮定した粒子は宇宙線のエネルギースペクトルを考慮した宇宙線ミューオン 検出器シミュレーションはK2K 1kton実験グループが使用しているプログラムにキャリブレーション用PMTを追加して行った 1ktonタンク内のキャリブレーション用PMTの位置はデータ収集の際に測定した値を使用している

事象選別

総光量カット 総光量を用い右図のようなバックグラウンドを除く Efficiency ~85%(data),100%(MC) 20インチPMTの総光量分布(事象選別前) 黒線 : データ 赤線 : シミュレーション Number of events ノイズ事象 Reject Reject log10(Total Q(p.e.)) シミュレーションはデータの20インチPMTの総光量を再現している 低エネルギー事象

チェレンコフカット q 鉛直下向き以外の方向へ進行したミューオンを除く チェレンコフ光のcone内側の光量と総光量の比(Qin/Total Q)をとる (鉛直下向きミューオン:光量比~0.9) 　ただしチェレンコフ光の拡がり角は42°,進行方向は鉛直下向きとする シミュレーションにおけるPMT位置と光量の関係 Charge(p.e.) 42° Qout q Qout Qin Qin cosq

チェレンコフカット (続き) Qin/Total Q<0.8ならばBGとしてカットする Efficiency~75%(data),95%(MC) 黒:データ 赤:シミュレーション Total Charge (p.e.) 斜めに進行したミューオン Reject Qin/Total Q ミューオン以外の事象 以降のデータ、シミュレーションは2つのカットを適用している

ヒット数、光量の測定と比較

キャリブレーション用PMTの配置(鉛直方向移動) Z=200~240cm D 変化させる値 : CRPの鉛直方向位置Z (Z=200~240cm)

キャリブレーション用PMTの光量分布の比較 黒線:データ、赤線:シミュレーション 鉛直方向Z=220cmの場合 鉛直方向Z=240cmの場合 PMT#1 PMT#2 PMT#1 PMT#2 縦軸:事象数 横軸:光量 PMT#3 PMT#4 PMT#3 PMT#4 PMT#3はCRP直下に位置し、PMT#1,2,4は中心(PMT#3)から50cm離れている データの事象数で規格化されたシミュレーションの光量分布はデータと良く一致する → シミュレーションはキャリブレーション用PMTの反応を再現している

キャリブレーション用PMTのヒット数と光量変化(鉛直方向) ヒット数 vs. Z 黒線:データ、赤線:シミュレーション 光量 vs. Z # of hits # of hits 平均光量(p.e.) 平均光量(p.e.) Z(cm) Z(cm) # of hits # of hits Z(cm) Z(cm) Z(cm) Z(cm) 平均光量(p.e.) 平均光量(p.e.) # of hits # of hits Z(cm) Z(cm) Z(cm) Z(cm) ヒット数、光量ともにZに依存し、5cmの間隔の差が見える データとMCの分布は良く一致している

キャリブレーション用PMTの配置(水平方向移動) D Y=20~33cm 変化させる値 : CRPの水平方向位置Y (Y=20,32,33cm) 　　　　　　　　　　　CRPの位置はZ=220cmで固定している

キャリブレーション用PMTのヒット数と光量変化(水平方向) 黒線:データ、赤線:シミュレーション ヒット数 vs. Y 光量 vs. Y # of hits # of hits 平均光量(p.e.) 平均光量(p.e.) Y(cm) Y(cm) # of hits # of hits Y(cm) Y(cm) 平均光量(p.e.) 平均光量(p.e.) Y(cm) Y(cm) # of hits # of hits Y(cm) Y(cm) Y(cm) Y(cm) 水平移動距離によるヒット数の変化が小さいことから、キャリブレーション用PMTを有効体積境界外側に設置しヒット数の大小から発生点を同定する場合、PMT同士の間隔は50cmで十分

キャリブレーション用PMTの配置(PMT面傾斜) 変化させる値 : CRPの傾斜角 (q=30°,45°) 　　　　　　　　　CRPの位置はZ=220cmで固定している

キャリブレーション用PMTのヒット数と光量変化(傾斜) 黒線:データ、赤線:シミュレーション ヒット数 vs. q 光量 vs. q # of hits # of hits 平均光量(p.e.) 平均光量(p.e.) q(deg) q(deg) # of hits # of hits q(deg) q(deg) q(deg) q(deg) 平均光量(p.e.) 平均光量(p.e.) # of hits # of hits q(deg) q(deg) q(deg) q(deg) 光量はqに大きく依存するが、ヒット数はほとんど変化しない キャリブレーション用PMTを用いた発生点の位置決定には光量の情報が必要となる

キャリブレーション用PMTによる チェレンコフ光の影の影響

キャリブレーション用PMTによるチェレンコフ光の影の影響(チェレンコフリング数計測) チェレンコフリング数計測の流れ 　パターン認識 methodによってチェレンコフリングの候補を見つける 　Likelihood methodによって候補のリングの真否をテストする 　likelihood<0でsingle-ring, >0でmulti-ring 黒:PMT設置前、赤:PMT設置後 Single-ring Multi-ring Number of event リング数計測 設置前後で99%がsingle-ring、likelihood分布も類似している 　リング数計測に対するキャリブレーション用PMTの影響は無視できる 　この情報を元に粒子同定(Particle Identification, PID)を行う likelihood

キャリブレーション用PMTによるチェレンコフ光の影の影響(粒子同定:PID) チェレンコフリング数計測の流れ 1つ以上のリングに対して、電子やガンマのようなe-like事象か、ミューオンかパイオンのようなm-like事象かをlikelihood methodを用いて同定する likelihood<0でe-like, >0でm-like 黒:PMT設置前、赤:PMT設置後 e-like m-like Number of event 粒子同定 e-like/m-like=0.049%(設置前)、0.036%(設置後) 差は1.01sなのでPIDに対するPMTの影響は無視できる likelihood

1kton検出器におけるテストデータ解析の結論 　候補PMT(R9869)の特性を様々な位置で測定した 　CRPを垂直方向に移動して行った場合、明らかなZ依存性がヒット数と光量に現れ、5cmの間隔でもその差は認識可能である 　水平方向にPMT面を移動した場合Y=0~33cmではヒット数の差は小さいので、キャリブレーション用PMTを有効体積境界外側に設置しヒット数の大小から事象の発生点を同定する場合、PMT同士の間隔を50cm以上密にする必要はない 　PMT面を傾斜させた場合、ヒット数の変化は小さいので光量に基づいた同定が必要である 　キャリブレーション用PMTのチェレンコフ光に対する影が事象再構成に及ぼす影響を見積もった 　リング数計測に対する影響は無視できる 　粒子同定に対する影響は無視できる 1kton検出器でのデータからキャリブレーション用PMTの基本的な特性は理解でき、シミュレーションによってデータを再現可能であることがわかった 以降、2km検出器におけるキャリブレーション用PMTの配置、およびその能力をシミュレーションする

2km検出器における 有効体積キャリブレーション のシミュレーション

キャリブレーション用PMTを設置した 2km検出器シミュレーション J-PARC nmビーム(CCQEのみ)を仮定した有効体積キャリブレーションシステムをGEANT4を用いてシミュレーション 有効体積同定方法の考案 Efficiencyと系統誤差の見積もり

2km水チェレンコフ型検出器における有効体積キャリブレーションの模式図 有効体積外事象 nm 青塗部が有効体積領域 有効体積内に面した内向きPMTと有効体積外に面した外向きのPMTを交互に設置する キャリブレーション用PMT同士の間隔は50cmで、総数446本 外向きPMTは有効体積外→体積内の事象を検出可能 内向きPMTは有効体積内→体積外の事象を検出可能 EndCap FrontCap 有効体積内事象 nm Barrel ビーム方向

有効体積同定方法(同定基準) D 有効体積境界 LVC L1 L2 L1 有効体積外事象 ミューオン発生点(red point)から有効体積との交点(green point)までの距離をLVCと定義する 外向きPMT 内向きPMT Hits ミューオン発生点 LVC L1 D 交点 Li - LVC 内向きPMT 外向きPMT L2 有効体積内事象 Hits 内向きPMT 内向きPMT Li - LVC 軌跡に引いた垂線 L1 L-LVCと内向き/外向きPMTのヒット(Qth=0.3p.e.)の関係で事象の発生点の有効体積内外を同定する 有効体積境界

有効体積周辺領域における L-LVCとヒットの関係 　有効体積同定の基準を適用する前に、有効体積境界付近のL-LVCと内向き/外向きPMTのヒットの関係を調べる必要がある 　FrontCap付近またはBarrel付近に発生点がある事象を選択(EndCap付近はFrontCapと構造が対称なので省略する) 　事象選択範囲は有効体積から内外45cmの範囲に発生点が存在する事象である 　ミューオン発生点から有効体積境界までの距離(D)を5cm刻みで区切り、ヒット分布を調べる

選択した事象(FrontCap) 有効体積内事象 有効体積外事象

FrontCap(有効体積外事象) 縦軸 : Hits/event(光量のウェイトをかけている(1p.e.=×1)) 5>D≧0 10>D≧5 15>D≧10 縦軸 : Hits/event(光量のウェイトをかけている(1p.e.=×1)) 横軸 : L – Lvc (cm) 黒線 : 内向きPMT 赤線 : 外向きPMT Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 20>D≧15 25>D≧20 30>D≧25 Hits/event Hits/event Hits/event 　Dが大きくなる(≧15cm)と外向きPMTのピークが現れ始める L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 35>D≧30 40>D≧35 45>D≧40 Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm)

FrontCap(有効体積内事象) 縦軸 : Hits/event(光量のウェイトをかけている(1p.e.=×1)) 横軸 : L – Lvc (cm) 黒線 : 内向きPMT 赤線 : 外向きPMT 5>D≧0 10>D≧5 15>D≧10 Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 20>D≧15 25>D≧20 30>D≧25 Hits/event Hits/event Hits/event 　D≧20cmで外向きPMTのピークが消え、内向きPMTのヒットのみとなる L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 35>D≧30 40>D≧35 45>D≧40 　FrontCap付近における有効体積内外の事象に対するPMTの反応は期待通りである Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm)

選択した事象(Barrel) 有効体積内事象 有効体積外事象

Barrel(有効体積外事象) 縦軸 : Hits/event(光量のウェイトをかけている(1p.e.=×1)) 5>D≧0 15>D≧10 縦軸 : Hits/event(光量のウェイトをかけている(1p.e.=×1)) 横軸 : L – Lvc (cm) 黒線 : 内向きPMT 赤線 : 外向きPMT 10>D≧5 Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 5>D≧0 10>D≧5 15>D≧10 Hits/event Hits/event Hits/event 　D≧5cmで外向きPMTのピークが現れ始める L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 5>D≧0 10>D≧5 15>D≧10 Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm)

Barrel(有効体積内事象) 縦軸 : Hits/event(光量のウェイトをかけている(1p.e.=×1)) 横軸 : L – Lvc (cm) 黒線 : 内向きPMT 赤線 : 外向きPMT 5>D≧0 10>D≧5 15>D≧10 Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 20>D≧15 25>D≧20 30>D≧25 Hits/event Hits/event Hits/event 　D≧20cmで外向きPMTのピークが消え、内向きPMTのヒットのみとなる L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) 　Barrel付近における有効体積内外の事象に対するPMTの反応は期待通りである 35>D≧30 40>D≧35 45>D≧40 Hits/event Hits/event Hits/event L-Lvc(cm) L-Lvc(cm) L-Lvc(cm)

キャリブレーション用PMTのヒット分布の結論 　L-Lvcとヒット数の関係をFrontCap、Barrel付近でDの値で区切り調べた 　FrontCap、Barrelともにキャリブレーション用PMTは以下のような期待通りの関係を示す 　有効体積内事象 : L-Lvc<0で内向きPMTのピーク 　有効体積外事象 : L-Lvc<0で外向きPMTのピーク 　ビーム軸方向(Z方向)、半径方向(R方向)の同定能力を測るため、ある範囲内にある事象について基準を適用する 　有効体積全領域 + 境界の外側100cmの領域で前記した基準を適用する

粒子発生点の同定(Z方向) 有効体積 Z方向分布(R<100cm) 　Barrel境界付近の事象を除くためR(=(X2+Y2)1/2)<100cmの領域に発生点が存在する事象を選択した 　有効体積内では約80%の確率で同定に成功しており、分布もフラットである 　　　有効体積 Event rate 有効体積内と同定された事象 有効体積外と同定された事象 Z(cm)

粒子発生点の同定(R方向) 有効体積 R方向分布(-300<Z<100cm) 　FrontCap、Endcap境界付近の事象を除くめ-300<Z<100cmの事象を選択した 　有効体積内ではR<170cmまで約80%の確率で同定に成功している 　　　有効体積 Event rate 有効体積内と同定 有効体積外と同定 R(cm)

Efficiencyと系統誤差の見積もり 　有効体積内に発生点が存在する事象のうち内向き/外向きPMTのいずれかがヒットする事象は全体の77%である → efficiency=77% 　そのうち95%が有効体積内と同定され、5%が有効体積外と同定される 　系統誤差は光量の不確定性にのみ求める 　光量の閾値(Qth=0.3p.e.)を+/-5%変動させ、有効体積内において有効体積内と同定された事象の変化を系統誤差と定義する 　系統誤差にはefficiencyを考慮する この系統誤差は有効体積キャリブレーションの系統誤差のうちの一部分である 　系統誤差は+0.130-0.095%となる 有効体積内に発生点が存在 全事象数 95355 体積内と同定 69963(73%) 体積外と同定 25392(27%) efficiency 77%

結論 候補となるPMTの特性をK2K 1kton検出器を用いて測定した 有効体積キャリブレーションに必要なヒット数、光量の情報を得た 各位置でデータとシミュレーションは概ね良くあう 2km水チェレンコフ型検出器における有効体積キャリブレーションをシミュレートし、有効であることを確認した 有効体積内のおよそ77%の事象を同定可能である 有効体積境界から50cm以上内側では約80%の事象が正しく有効体積内と同定される

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ニュートリノ振動実験 T2K : E(nm)=0.5~0.7GeV、L=295km、WC MINOS : E(nm)~1 - 25GeV、L=730km MiniBooNE Minerva Nova

T2K実験の目的 ニュートリノビームの強度がK2K実験の約100倍で、1桁以上精度の高い実験が可能 ne appearanceの観測 (Dm223=3×10-2でsin22q13~0.006) sin22q13の測定とファクター10-20程度のlimitの改善 sin22q23の数%以内の精度での測定 Dm223の精密測定 Dm223 q23 Dm223 q13

T2K nm beam flux at 2km position Charged current QE 36.7% Single p 19.5% Multi p 14.3% Coherent p 1.2% Neutral current QE 1.6% Single p 7.2% Multi p 5.0% Coherent p 0.6% ~120,000 QE events/yr/100ton ~70,000 QE events/yr/100ton

2km CCQE m m q nm Number of event Number of event MeV/c MeV/c

T2K前置検出器 280m検出器 飛跡検出器(FGD+TPC) : ニュートリノ相互作用で生成された荷電粒子の測定 　p0検出器 : e/p0分離が可能。nmビームに含まれるne成分を測定できる。 　電磁カロリメータ : gや電子のエネルギーの測定 2km検出器　 　液体アルゴンTPC : e/m分離、e/p0分離が可能。nmビームに含まれるne成分を測定できる。弾性散乱(signal)、非弾性散乱(BG)を区別できる 　水チェレンコフ型検出器 : 同じターゲットで振動前のnm、neスペクトルを観測可能 　MRD : 水チェレンコフ型検出器を突き抜けたニュートリノの観測、ニュートリノビームノ較正(高い位置分解能)

1ktonシミュレーションにおけるミューオンの運動量、進行方向 Number of events Number of events 0.998 0.999 1 MeV/c cosq

PID キャリブレーション用PMT設置後のlikelihood分布においてlikelihood=2~5でピークが現れる 目でscanした結果stop mの含有が多いことがわかる 　バックグラウンド事象は含まれていない 　stop m/all event ~ 45%(キャリブレーション用PMT設置前)、75%(PMT設置前)