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論文講読 Measurement of Neutrino Oscillations with the MINOS Detectors in the NuMI Beam 2009/11/17 Zenmei Suzuki
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目次 イントロダクション ニュートリノ振動 NuMI Beamline MINOS Detector
Neutrino interactions in the MINOS 解析 結果 まとめ
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イントロダクション Main Infector Neutrino Oscillation Search フェルミラボからスーダン鉱
への長基線ニュートリノ実験 νμ→ντの精密測定 νμ→νeの探索
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ニュートリノ振動 通常扱っているνe , νμ , ντという状態はe, μ, τとの対生成における、つまり弱い相互作用の固有状態である。
これは質量の固有状態と必ずしも一致する必要はない。 2種類の固有状態が一致していない場合、どちらかの純粋な固有状態といのは、もう片方の固有状態の混合状態になる。 固有状態 弱い相互作用να ： νe , νμ , ντ 質量νi ： ν1 , ν2 , ν3
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簡単のために2世代間の混合を考える。 時間発展 エネルギーE(GeV)のναが距離L(km)飛んだ時の生存確率は
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sin2(2θ) = 1, Δm2 = 2.43×10-3 (eV2), L = 735 (km)
としてνμ → ντの生存確率を計算してみると、
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NuMI Beamline
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ターゲットとホーンの距離を変えることでニュートリノビームのエネルギーを変えることが出来る。
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MINOS Detector MINOSの検出器はビームライン直下のNear Detectorと同じ構造をした735km下流のFar Detectorからなる。 Near Detector Far Detector NuMIのターゲット から1.04km下流 地下104m 総質量0.98kt NuMIのターゲット から735km下流 地下705m 総質量5.4kt （有効質量4.2kt）
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Far Detector 厚さ2.5cmの鉄板と厚さ1cmのプラスチックシンチレータ のサンドイッチ構造。
のシンチレータと直交するように配置。 1.3Tの磁場。 上部には宇宙線VETOカウンターを設置。 Far Detector
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Neutrino interactions in the MINOS
シグナル バックグラウンド charged current neutral current
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charged current（左）とneutral current（右）のモンテカルロシミュレーション
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解析 データ収集期間は2005年5月〜2007年7月 （runⅠ& runⅡ）
3.36×1020 POT(proton on target) Low energy beam と High energy beam という2種類の設定のビームが使われているが、Low energy beam の方がよりニュートリノ振動に対する感度が高いので、95%以上はこちらの設定で稼働している。 図は2種類の設定でのNear Detectorにおけるνμの charged current 事象のエネルギースペクトル。
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他にも、何種類かの設定で測定が行われ、Near Detectorのデータが系統誤差の研究に用いられている。
具体的には、NuMIターゲットの位置に応じて異なった運動量成分を持つ2次粒子が発生するが、そのモンテカルロシミュレーションと実際の測定を比較し、2次粒子生成スペクトルに補正が与えられている。 前頁の図のFLUKA05とは粒子の輸送、相互作用のモンテカルロシミュレーションであり、Tuned MCというのがそれに2次粒子生成の補正したものである。
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イベントの選定 the track length the average pulse height per plane
neutral current事象はνμ , ντの区別が出来ず、またνがエネルギーを持 ち去るためエネルギーの再構成が出来ないのでcharged current事象 のみを用いる。 μ+の事象は除外。 charged current事象の選定には、荷電粒子のトラックの 以下のパラメータを用いる。 the track length the average pulse height per plane the transverse energy deposition the fluctuation of the energy deposited in scintillator strips CC selection efficiency : 75.3% → 81.5% NC contamination : 1.8% → 0.6%
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系統誤差 2つの同じ構造の検出器で測定し、その比較を元に解析をするため、 ニュートリノビームフラックス 検出器の性能
などの系統誤差を大幅に減らすことが可能。 ニュートリノビームフラックス 検出器の性能 相互作用の不定性
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解析手法 Near Detectorで得られたスペクトルから元となるニュートリノフラックスを算出
転送行列を用いてFar Detectorでのフラックスに変換 変換されたニュートリノフラックスを元にFar Detectorでのエネルギースペクトルを計算 測定値と比較し、νμの生存率を算出 Fitして振動パラメータを計算、他のモデルでもFitして比較 decay decoherence
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結果 振動がないとした場合の期待値と測定値の比
Far Detectorで検出されたνμ charged current事象のエネルギースペクトル 振動がないとした場合の期待値と測定値の比
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(68% C.L.) runⅠ runⅡ Decay , decoherenceのモデルはそれぞれ3.7σ, 5.7σで否定される。
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まとめ 特に|Δm2|の精度が向上 ニュートリノ振動以外のνμ欠損の可能性を
強く否定（decay: 3.7σ, decoherence: 5.7σ） (68% C.L.)
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