ニュートリノから探る Beyond the Standard Model

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1 ニュートリノから探る Beyond the Standard Model
2001年9月22日 日本物理学会＠沖縄国際大 ニュートリノから探る Beyond the Standard Model 大強度陽子加速器(JHF)による 長基線ニュートリノ実験 大林 　由尚 高エネルギー加速器研究機構 素粒子原子核研究所 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

2 ニュートリノと標準模型 ニュートリノ振動の存在（1998年6月、 SK 大気ニュートリノ） 標準模型では質量，混合角は入力パラメータ
有限な質量，混合がある 標準模型では質量，混合角は入力パラメータ Beyond the Standard Model (GUT他)で予言される 多くの予言値 実験で判定せねばならない 質量,混合のあるなし,だけではなく（精密）測定が必要 Leptons: MNS matrix (Maki-Nakagawa-Sakata) Quarks: CKM matrix (Cabibbo-Kobayashi-Maskawa) Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

3 Y. Obayashi / JPS meeting @ Okinawa
ニュートリノをめぐる現状 MNS matrix: Dm122 Dm232 q12 q23 q13 d 大気 n/K2K 〇 Δ 太陽 n/原子炉 n LBL (JHF n) Future LBL (JHF n-II or n factory) (sign) 〇:検出　 〇:精密測定 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

4 大強度陽子加速器(JHF)-SK ニュートリノ実験の概要
基線長 L=295km ニュートリノ源: 大強度陽子加速器（JHF） 50GeV, 0.77MW PS approved, 建設開始 2007年ニュートリノビーム発射 En＝0.5～2 GeV 水チェレンコフ検出器に最適 Particle ID しやすい QE散乱が主 p0 バックグラウンド 遠方検出器： スーパーカミオカンデ 22.5kt 水チェレンコフ検出器 稼動中 スーパーカミオカンデ （岐阜県神岡町） 大強度陽子加速器 （茨城県東海村） 295km KEK Super-K：22.5kt Phase I JHF:0.77MW, 50GeV PS Hyper-K:～1Mt Phase II JHF-II: 4MW, 50GeV PS Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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スーパーカミオカンデ 50,000トン水チェレンコフ検出器 有効体積22,500トン 光電子増倍管 内水槽 11,146本の 20インチPMT 外水槽 1,857本の 8インチPMT リングイメージで粒子識別 μ、ｅ、π チェレンコフ光量、リングの方向を用いて運動量を測定 1996年から稼動中 今年（2001年）は稼動開始後初めてのオーバーホール、数百本のＰＭＴを交換した 1000m Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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加速器とニュートリノビーム Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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大強度陽子加速器 茨城県東海村。日本原子力研究所内に建設開始、２００６年完成予定 JHF MINOS K2K E(GeV) 50 120 12 Int.(1012ppp) 330 40 6 Rate(Hz) 0.292 0.53 0.45 Power(MW) 0.77 0.41 0.0052 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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ニュートリノビームライン 設計進行中 陽子ビーム取り出し、輸送、陽子標的、フォーカス磁石、ディケイパイプ、ビームダンプ、ビームモニター（p/p/m/n)、etc.. PS ring Neutrino line R=110m Final focus Top View Side View NBB OAB WBB 1.25° Downward 5.4m 3m Fe Concrete Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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ニュートリノビーム ３種のビームライン Wide Band Beam (WBB) 大強度 Dm2に対して広い領域をカバー HE tail からの バックグラウンドが大きい Near/Far のエネルギースペクトラムの違いに由来する系統誤差が大きい Narrow Band Beam (NBB) エネルギースペクトラム由来の系統誤差が小さい ニュートリノエネルギーを調整可 Off Axis Beam (OAB) 大強度のナロウバンドビーム HE tail が NBBよりも多い ニュートリノエネルギーの調整は難しい Wide Band Beam q Horns Decay Pipe Far Det. 2horns Narrow Band Beam momentum selected p Off Axis Beam Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

10 Off Axis Beam (another NBB option)
q Target Horns Decay Pipe Far Det. (ref.: BNL-E889 Proposal) ビームライン自身はWBB。検出器をビーム中心から数度ずらす。 Decay Kinematics （ほぼ）monochromaticなビームが得られる。 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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期待されるSKでのニュートリノ反応数 (GeV) (/22.5kt/yr) (106/cm2/1021POT) Tot. (CC) Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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エネルギースペクトルの比較 Linear Log WBB LE2p OA2° Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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ne の混入率 NBB (LE2p) OAB (2degree) 0.73%(total) 1.0%(total) K-decay m-decay Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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前置検出器 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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前置検出器 K2K型 （～280m from target ) 1)水チェレンコフ（SKと相似） reconstruction efficiency他 2)水ターゲット＋tracker ニュートリノ - 水 interaction 3)液体シンチレーター＋ファイバー ニュートリノ反応 4)ミューオン検出器 ニュートリノスペクトラム Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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2km 前置検出器 Far/Near ratio 280mではfar/near ratioが十分flatではない 2km離れるとほぼflat 水チェレンコフ検出器はhigh event rateにあまり強くない 原研から約2kmの場所に検出器を置くことを検討中 2km 280m 5 5 En(GeV) En(GeV) 2 4 6km Target 30m JHF site 20m Pacific ocean 10m 4m ν Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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2km サイト候補地 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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物理解析 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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nm disappearance 振動確率 P(nm→nm)=1-P(nm→nt)-P(nm→ne), ~sin22q13<<1 P(nm→nt)=cos4q13 sin22q23 sin2(1.27Dm232 L/E) ビームのエネルギーをoscillation maximumにtune Dm2=1.6～4x10-3eV2 → E=0.4～1.0GeV <1GeV では ニュートリノ反応はほとんどQuasi Elastic ～60% for WBB, 75～80% for NBB and OAB L=295km, Dm2=3x10-3eV2 P(nm→ nm ) ~sin22q23 En (GeV) Dm2 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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nm disappearance 解析 Selection Criteria 反応点が22.5kton 有効体積内 (壁から2m以上) Fully Contained Single m-like ring events. Pm > 300 MeV/c #decay electrons < 2 ニュートリノ振動後の反応数期待値 #events = 3700860 / 5years for OAB2 (Dm2=3.510-3eV2) = 1070180 / 5years for NBB-1.5 (Dm2=3.510-3eV2) = 2900310 / 5yaers for NBB-3 (Dm2=510-3eV2) Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

21 Reconstructed En (MeV)
Dm2, sin22q を求める For OAB2 (5 years) Oscillation with Dm2=310-3 sin22q=1.0 Observed Spectrum Non-QE Background ~30 Non-QE Background を引いた後 Observed Spectrum と Expected (No osc.) spectrumの比を求める 1-sin22q•sin2(1.27Dm2L/E)でフィット フィット結果: Dm2=(2.96±0.04)10-3 sin22q=1.00±0.01 No oscillation QE spectrum ~1000 ~3% Reconstructed En (MeV) Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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各ビームライン構成における測定精度 NBB-3GeVp, OAB-2degree, NBB-1.5GeVp d(sin22q) dsin22q 0.01 5年間の測定で d(sin22q)~0.01 d(Dm2) ~ <110-4 eV2 Dm2 dDm2 d(Dm2 ) 110-4 Dm2 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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sin22q1.0 の場合の測定精度 OAB2 (5years) sin22q=0.9 sin22q=1.0 精度の低下は約1.3倍（統計精度のみ） Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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系統誤差 Systematic Uncertainty (sin22q=1.0) Non-QE background subtraction. (20%). Relative flux between FD and SK. ( 10%) Non-linearity in energy measurement. ( 3%) FSK=(1±0.04) F(E)FD, 10% flux increase at 2.5 GeV/c Effect by high energy tail is under study now. WBBではsystematic dominant、NBBではstatistics 測定精度は dsin22q23 < 0.01 dDm < 110-4eV2 at (sin22q=1.0, Dm2 =3.210-3eV2) 1 year sensitivity WBB NBB Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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nm → ne appearance 探索 3世代ニュートリノのシナリオ(Dm212<<Dm213~Dm223) 現在の下限値： 原子炉実験 CHOOZ (PALO VERDE) experiment ニュートリノビームはほとんど純粋な nm (nm : 最適なニュートリノエネルギー: 1GeV以下 Oscillation maximum QE dominated e/p0 separation Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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ne のシグナル ne Q.E. C.C. interaction ハドロンなし 電子シャワー single e-like ring Cherenkov Angle ～ 42o ニュートリノエネルギーを再構成可能 e+- shower ne Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

27 バックグラウンド： N.C. p0 production
p0→2g ２つのシャワー 2ringが重なったり片方が非常に暗い場合: single ring に見えてしまう NC反応のためニュートリノエネルギーを再構成できない HE tailからのなだれ込み n n p0→2g 2 showers Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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ne selection SK 大気n official selection (single-ring e-like): Fully Contained (No Anti-counter Activity) Single e-like ring Evis > 100MeV No Muon Decay Electron Tight e/p0 separation ビームに対するシャワーの方向 cosqne: p0からのgの場合,超前方に出やすい ２つめのリングを強制的に探す E(g2)/E(g1+g2): BGでは大 1-ring like と 2-ring like のlikelihhod値の違い Invariant mass : BGではp0 mass、neでは小 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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BG,シグナルの期待値 Dm2=3x10-3eV2, sin22qme=0.05 OAB 2deg. Number of events for JHF(0.77MW) 5yr exposure to Super-Kamiokande(22.5kt) nmC.C. nmN.C. Beam ne Osc'd ne Generated 4080.3 292.1 301.6 1ring e-like 14.3 247.1 68.4 203.7 red. eff. 0.1% 6.1% 23.4% 67.5% e/p0 sep. 3.5 23.0 21.9 152.2 red.eff. 0.03% 0.6% 7.5% 50.4% .4<En<1.2 1.8 9.3 11.1 123.2 0.02% 0.2% 3.8% 40.8% Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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BG、シグナルのエネルギースペクトラム Quasi-Elastic 散乱としてニュートリノエネルギーを再構成 oscillation maximum 前後でエネルギーカット 0.4GeV< E <1.2GeV (OAB2o) OAB2o 5year Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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混合角に対する感度 sin22qme sensitivity Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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ne appearance探索の感度 sin22qme~3x @Dm2=3x10-3eV2 En の調整により大気ニュートリノで許されるDm2 全体に対し sin22qme~5x10-3 まで感度を持つ。 sin22q13＝2sin22qme~1x10-2 @90% C.L. Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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nm→nsterile の探索 大気ニュートリノ、K2K nm disappearance nm→n? ?＝t ｏｒ sterile　or 　　　（at ＋ bs） SK 大気ニュートリノ 100% nm→ns は99%CLで排除 JHFn での nm→ns 探索 nm→nsではNC反応数も減少する。 SKでのNC反応数を数える。 NC single p0 productionを集める nN→nNp0、p0→2g Selection Criteria Fully Contained event Visible Energy: 100 < Evis < 1500MeV 1 or 2 e-like ring(s) p0→2g No decay electron Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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nsterile search の感度 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

35 nm→nsterile の探索の感度 nt:ns=30:70(99%CL) nt:ns=65:35(99%CL)
Expected # of N.C. events (w/o osc.) Sensitivity @ Dm2 = 3x10-3(eV2) WBB(1year) 274.3 nt:ns=30:70(99%CL)　 55:45(90%CL)　 NBB 2GeV p (5year) 189.6 nt:ns=65:35(99%CL)　 75:25(90%CL)　 OAB 2deg. (5year) 579.8 nt:ns=70:30(99%CL)　 80:20(90%CL)　 (Assume syst. err=5%) Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

36 Summary of Sensitivities
Dm223 (s) sin22q23 sin22q13 (90%CL) nt : ns WBB 1year 2x10-4(eV2) 0.04 0.016 55:45 NBB 5year 1x10-4(eV2) 0.02 0.012 75:25 OAB 5year 0.01 0.006 80:20 @Dm223=3x10-3eV2, sin22q23=1.0 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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Hyper-Kamiokande Super-K 1 Mton fiducial volume: Total Length 800m (16 Compartments) τp/B(p→e+π0) ～ 1×1035 years (3σ CL　with 20Mtyr) τp/B(p→ν K+) ～ 3×1034 years (3σ CL with 20Mtyr) Supernova Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

38 第2期 JHF-Kamioka ニュートリノ実験計画
JHF upgrade と Hyper-K 4MW beam ＋ 1Mton detector →200倍の統計量 第１期でq13が検出できなかったとき: 統計的には√200＝14倍の感度向上 系統誤差を小さくすることが重要 sin22q13＜10-3の領域まで探索 第１期ですでにq13が検出されている時 CP の探索が可能に Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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CP sensitivity 2年ｘnm＋4年 ｘ nm Double Ratioを用いて系統誤差をキャンセル： 感度はDm212に大きく依存 q13にはあまり依存しない CP phase d が10-20度以上ならば検出可能 Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa

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Summary ニュートリノで探るBSM 大気/太陽n、K2Kの次世代実験では「MNS行列の決定」が必要 大強度陽子加速器（JHF)→スーパーカミオカンデ n実験 2007年実験開始 5年（+α)のビーム照射で d（Dm223）～１ｘ10-4 eV2 d（sin22q23）～0.01 sin22q13>0.01 ならば検出（90%CL） ns：nt > 25 : 75 ならば検出（90%CL） JHF-2（4MW）→ ハイパーカミオカンデ も構想中 CP violation matter effect (sign of Dm2) Sep. 22, 2001 Y. Obayashi / JPS Okinawa