A Study of Low Energy Spectrum in Accelerator-based Neutrino Oscillation Experiment K2K実験における 低エネルギー・スペクトルについての研究 ’05 12/19 田窪洋介 ニュートリノ振動 K2K実験と低エネルギー・スペクトル SciBar検出器による低エネルギー・スペクトル解析 振動解析 まとめ

ニュートリノ振動 nm nx nm nx の２世代間混合の場合 nm = n1 cosq + n2 sinq n1, n2 : 質量固有状態 q : 固有状態の混合角 nx = - n1 sinq + n2 cosq 質量二乗差(eV2) 飛行距離(km) nm nx (Dm2 = m12 – m22) 飛行距離 : L 振動確率 = t = 0 t = T 振動条件 n1, n2が異なる質量を持つ 混合角が0でない ニュートリノ・エネルギー (GeV) SKの大気nの測定で発見 飛行距離Lを進んだ後にnmの数の増減が起こる 確かな方法で確認したい！

K2K実験 K2K実験 m p nm nm nm SciBar (LG) p 世界初の加速器を用いた長基線ニュートリノ振動実験 MRD(Muon Range Detector) SciFi 1kt 崩壊トンネル (200m) ダンプ (100m) ターゲット m p nm nm p KEK 12GeV P.S. nm ~106n/2.2sec ~1event/2days 250km ~1011n/2.2sec 電磁ホーン mモニター pモニター Super-Kamiokande 前置検出器 世界初の加速器を用いた長基線ニュートリノ振動実験 SKでの大気n振動の結果を検証 KEK 12GeV P.S. を使用しニュートリノを生成 98%の純度のnmビームを使用 前置検出器とSKでnmを観測しニュートリノ振動を測定

K2K実験におけるn振動 実験原理 前置検出器でn事象数とEn分布を測定 SKでのn事象数とEn分布が予測可能 SKでの振動確率とFlux分布(MC) 振動がある場合 振動確率 = 飛行距離が一定(250km) 振動なし SKでの振動の効果 nm事象数が減少する スペクトル分布に歪が生じる 振動あり

K2K実験におけるEnの測定 m n m n p n q p p p CC事象 エネルギーの再構成 ： 準弾性散乱反応 準弾性散乱反応(CCQE)を用いる 非弾性散乱反応(nonQE)がバック グラウンドとなる　 準弾性散乱反応 終状態が２体なのでmの角度と運動量からEnの再構成が可能 n m p 非弾性散乱反応 NC事象 p スペクトルの測定にはnonQEの混入量の見積もりが必要 mとpの両方を捕らえる事が必須 n p

低エネルギー事象の重要性 En ~ 0.6 GeV で振動の効果が最大 前置検出器とSKでの(Near/Far)フラックス比 En>1GeV : pモニターでMCの妥当性を確認 En<1GeV : MCだのみ 前置検出器での1GeV以下の低エネルギー領域のスペクトル測定が重要！ 前置検出器の比較 1kt検出器 低エネルギーに感度有り mしか見えない CCQEとnonQEの見積もりはMCだのみ SciFi検出器 低エネルギーに弱い(En>0.6GeV) SciBar検出器 mとpが両方見える SciBarでの低エネルギーの観測は他の検出器とのチェックにも重要

SciBar検出器 n 押し出しシンチレータ 1.3x2.5x300 cm3 15000本 3m シンチレータ自身がニュートリノ・ターゲット 不感領域がない 10 cm のトラックまで検出可能 低エネルギーに感度有り dE/dx　によってpとpを識別 CCQE に対して高感度 non-QEバックグラウンドを識別 電磁カロリー・メーター (~ 11X0) EM calorimeter Extruded scintillator (15t) n 3m Multi-anode PMT (64 ch.) 3m 1.7m 1kt 水チェレンコフ検出器 Wave-length shifting fiber MRD

n振動測定の流れ 前置検出器によるスペクトル測定 振動解析 データ・サンプルの作成 SciBar SciFi 低エネルギー・サンプル 1KT スペクトル・フィッティング フィッティング・サンプルの定義 各サンプル間の系統誤差の評価 (pm,qm）分布をMCテンプレートでc2フィッティング 低エネルギー・サンプル Near/Farフラックス比の算出 SKでのイベント数の予測 振動解析 Maximum likelihood method

SciBarデータ・サンプルの作成

SciBarイベント選択 MRD事象 トラックがMRDで止まっている これまでの解析に用いられてきた En>0.5GeV EC MRD事象 トラックがMRDで止まっている これまでの解析に用いられてきた En>0.5GeV 新しいイベント・カテゴリー MRD SciBar EC 低エネルギー事象を増やすために、新たに２つのイベント・カテゴリーを作成した。 ECストップ事象 トラックがECで止まっている En>0.4GeV MRD SciBar EC SciBarストップ事象 トラックがSciBar内で止まっている En>0.3GeV

イベント・ディスプレイ SciBarストップ事象 MRD事象 m n ECストップ事象 m p n p n m SciBar EC MRD

SciBarストップ事象 SciBarストップ事象 加速器起源のバックグラウンド 中性子起源のpとp0からのg p : dE/dx情報で識別可 g : 100cm以下のトラックに混入 NC事象の混入 全体の30%がNC事象 100cm以下のトラックに混入 K2KでのNCの誤差は~30% MRD事象では2%のみの混入 データ取得 バックグラウンド 2 4 6 msec SciBar内トラック長分布 CCQE CC1p CCmp NC Data SciBarストップ事象ではNCの理解が必要 100 200 cm

SciBarストップNC事象 NC事象 pm qm 1GeV以上のニュートリノ反応 SciBar内でのトラック MC MC CCQEからのmの 再構成運動量 1GeV以上のニュートリノ反応 SciBar内でのトラック p+- : 35% p0からのg : 37% NC事象からのp+-とgはCCQEから のmと運動量分布がかぶる。 1GeV以上のNC事象は低エネル ギーCCQE事象として再構成される。 MC MC NC1p+- NCmp CCQE GeV/c GeV/c 100cm以上のトラックを用いてNC事象とB.G.を除去 SciBarストップ事象のpm, qm分布 pm qm pm, qm分布はフィット前でデータとMCでよく合っている。

EC ストップ事象 ECストップ事象 pm qm NC事象の混入 全体の25%がNC 100cm以下のトラックに混入 CCQE CC1p CCmp NC Data SciBar内トラック長分布 cm NC事象の混入 全体の25%がNC 100cm以下のトラックに混入 pA, p0からのgがトラックとなる 1GeV以上のニュートリノ反応 100cm以上のトラックを用いることでNC事象を除去 pm qm pm, qm分布はフィット前でデータとMCで概ね合っている。 GeV/c degree

SciBarデータ・サンプルのまとめ データ・サンプルのまとめ MRD事象 : 11,562 (CCQE : 54%,CC1p : 35%, CCmp : 9%, NC : 2%) ECストップ事象 : 203 ( CCQE : 34%, CC1p : 46%, CCmp : 13%, NC : 7%) SBストップ事象 : 821 (CCQE : 37%, CC1p : 43%, CCmp : 12%, NC : 8%) CCQEのtrueEn (MC) CCQEのEfficiency(MC) 低エネルギーCCQEのEfficiency(MC) 1 Efficiency ECストップ Total SciBarストップ 0.5 MRD + SciBarストップ MRD 1 2 3 MRDのみ 0.5 1 En (GeV) MRDサンプルのみに比べ、1GeV以下のCCQEの数は30%増加した。

スペクトル解析

フィッティング・サンプル SciBar SciFi 1KT MRD+ECストップ・サンプル m 1-track 2-track QE豊富 2トラックDqp分布 (MRDサンプル) SciBar QE豊富 nonQE豊富 CCQE CC1p CCmp CC coherent p Data MRD+ECストップ・サンプル 1-track 2-track QE豊富 2-track nonQE豊富 SBストップ・サンプル m 観測された方向 Dqp QEで予想される方向 SciFi deg. K2K-I MRD K2K-II LGストップ K2K-II MRD 1-track 2-track QE豊富 2-track nonQE豊富 1KT Fully-contained 1-ring m-like 14のサンプルでスペクトル・フィッティングを行う

スペクトル・フィッティング Ndata(i,j) qj F(8) x pi Ndata(i,j) データ(SB 1-track) MCテンプレート(SB 1-track) CCQEサンプル nonQEサンプル Ndata(i,j) 3.0- GeV qj 3.0- GeV F(8) x N8,QE(i,j) RnQEN8,nQE(i,j) pi Ndata(i,j) NMC(i,j) = S F(k) [Nk,QE(i,j) + RnQENk,nQE(i,j)] c2 fitting k (pm, qm)分布でフィッティング MCテンプレート QEサンプル nonQEサンプル フィッティング・パラメータ 各Eビンの重み : F(i) QE/nonQE比 : RnQE 系統誤差パラメータ 0.5-0.75GeV 0.5-0.75GeV F(2) x N2,QE(i,j) RnQEN3,nQE(i,j) 0-0.5GeV 0-0.5GeV F(1) x N1,QE(i,j) RnQEN1,nQE(i,j)

フィッテングの結果 SciBarのみ 全検出器 低エネルギー・サンプルにより0.5-0.75GeVの誤差が3%改善 低エネルギー事象有り 低エネルギー事象なし F(1) : 0-0.5 GeV F(2) : 0.5-0.75 F(3) : 0.75-1.0 F(4) : 1.0-1.5 F(5) : 1.5-2.0 F(6) : 2.0-2.5 F(7) : 2.5-3.0 F(8) : 3.0- Rnqe - 1.043 A 0.223 1.118 A 0.131 0.961 A 0.069 0.985 A 0.082 1.450 A 0.195 1.186 A 0.086 - 1.166 A 0.254 1.133 A 0.136 0.964 A 0.070 0.970 A 0.083 1.470 A 0.198 1.234 A 0.096 1.712 A 0.421 1.095 A 0.073 1.146 A 0.059 1 0.917 A 0.040 1.051 A 0.053 1.179 A 0.136 1.242 A 0.180 0.958 A 0.035 前置検出器で測定したEn分布 低エネルギー・サンプルにより0.5-0.75GeVの誤差が3%改善 SciBarの低エネルギー領域の誤差は 統計で決まっている SciBarの低エネルギー領域のスペクトルは他検出器と矛盾なし スペクトルは振動解析に用いられる。

振動解析

振動解析の方法 Ltotal = Lnorm. x Lshape x Lsyst. ニュートリノ事象数とスペクトルの形を用いたmaximum likelihoodフィッティング Ltotal = Lnorm. x Lshape x Lsyst. 系統誤差パラメータに制限をかけるlikelihood nm事象数のloglikelihood スペクトルの形を決めるlikelihood SKでの事象数 (112) 予想事象数 (振動なし : 156) SKでrecEnを観測する 確率分布を用いて計算 ガウス分布を仮定して誤差内で制限 Poisson統計 フィッティング・パラメータ (sin22q, Dm2) スペクトル・パラメータ (F(i)) QE/nonQE比 (RnQE) 系統誤差パラメータ

振動解析の結果 The best fit : (sin22q, Dm2) = (1.0, 2.8 x 10-3) SKでのrecEn分布 データ 振動なしの場合にこの結果を観測する確率は0.003%以下 (4.2 s) 振動無しのbest fit 振動パラメータの可能領域 振動有りのbest fit Dm2 [eV2] SKでの大気nの結果と矛盾なく一致 1.5x10-3 < Dm2 < 3.4x10-3 eV2 sin22q > 0.92　　　(90% C.L.) sin22q

まとめ K2K実験では~0.6GeVの低エネルギー領域で振動の効果が最大となる SciBar低エネルギー事象サンプルを作成した 前置検出器での低エネルギー・スペクトルの測定が重要 SciBar低エネルギー事象サンプルを作成した 1GeV以下のCCQE事象が30%増加 SciBar低エネルギー・サンプルを用いてスペクトル解析を行った。 SciBarにおける0.5-0.75 GeVの誤差が3%改善した 現在、SciBarの低エネルギーの誤差は統計が決めている。 低エネルギー領域のスペクトルが他検出器と矛盾のないことを確認 振動解析により大気n振動の結果との一致を確認した。 4.2sで振動無しを棄却

おまけ

SciBarストップ事象のvertex分布 フィット前 vertex分布もフィット前でデータとMCでよく合っている。 CCQE CC1p CCmp NC Data n x y z SciBar

SciBarのフィッティング・パラメータ 共通のフリー・パラメータ 8 bins of En nonQE Free parameters 系統誤差パラメータ MRD+EC サンプル MRDの運動量スケール : s=2.7% 1-track/2-track比 : 4.1, -5.9% 1-track事象と2-track事象間の行き来 2-track nonQE/QE比 : 5.1, -5.8% 2-track QE事象とnonQE事象間の行き来 誤差行列 0.0035 0.0003 0.0003 0.0034 SBストップ・サンプル SciBarの運動量スケール : s=1.0% ビーム・テストにて確認 SBストップ/MRD事象比 : 6.6 % MRD事象によるデータとMCの事象数の規格化の誤差

フィッティング条件によるRnqeのずれ フラックス・パラメータをMergedフィットのベスト・フィット値に固定して各フィット条件でのRnqeの値を確認 0.96 0.76 0.96 1.07 A20% Rnqeに20%の系統誤差を追加

Sky-shine background g-like Proton-like

SB (MRD+EC)のpm, qm, q2分布 (フィッティング前)

SciFiのpm, qm, q2分布 (フィッティング前)

1KTのpm, qm, q2分布 (フィッティング前)

RCNT/MRDの系統誤差 Physics (+4.2, -4.2) Detector (+4.4, -5.1) MA(CCQE) (MA=1.01, 1.21) MA(CC1p) (MA=1.01, 1.21) p int. out of nucleus (A10%) p inel. (A30%) p abs. (A30%) p re-scat. (A10%) s(NC) (A30%) +0.2 -0.5 +1.6 -2.1 +0.5 -1.3 +2.2 -1.7 +1.2 -1.7 +1.6 -0.0 +2.4 -2.4 Detector (+4.4, -5.1) PMT resolution (120%) X-talk (1.6%, 4.0%) Threshold (+15%) PID stability (A0.03) MuCL distirubution Scintillator quenching (A0.0023) MRD matching efficiency -2.8 +1.2 -1.2 -1.0 +0.5 -0.7 +1.6 -1.6 +3.3 -3.0 +2.0 -2.0 物理と検出器において非常に優位な系統誤差はない.

c2フィッティングの確認

SB (MRD+EC)のpm, qm, q2分布 (フィッティング後) SBCNT

SciFiのpm, qm, q2分布 (フィッティング後)

1KTのpm, qm, q2分布 (フィッティング後)

振動パラメータに対する制限