Super-KamiokandeにおけるΘ13探索の現状 と JHF-SK Neutrino 実験における探索の可能性

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1 Super-KamiokandeにおけるΘ13探索の現状 と JHF-SK Neutrino 実験における探索の可能性
大林 由尚 （KEK-IPNS） Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

2 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会
大気ニュートリノによる q13 search neのexcess Matter Effect: Resonance: Mantle(r~5): E ~12GeV Core(r~13): E ~5GeV ~10GeV のニュートリノに注目 ~0.5 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

3 Expected Oscillation Signals
e-like事象の増加量（ Nosc. /Nno_osc.） 上向きe-like事象の増減（ Nup /Ndown） sin22q23=1.0 sin22q13=0.1 Dm2=3x10-3eV2 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

4 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会
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±、π0 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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

5 Super-Kamiokande 1280日の大気ニュートリノデータ
+ data - MC w/o osc. - MC w/ osc. Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

6 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会
e-like 事象の U/D ratio + data - MC w/o osc. - MC w/ osc. Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

7 Allowed Regions for Oscillation Parameters
Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

8 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会
q13について (sin22q13<0.7) c2 sin2q13~0.02 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

9 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会
他の実験との比較 （sin22q13） Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

10 大気ニュートリノによるq13 search まとめ
Super-Kamiokande 1280日の大気ニュートリノデータ（Fully Contained events および Partially Contained events） を用いた3世代解析を行った。 (sin22q13<0.7) Pure nm → nt 振動と Consistent 原子炉実験（CHOOZ,Palo Verde） と Consistent Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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JHF-SK nu 実験の q13 search Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

12 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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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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、２００７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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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ニュートリノビーム ３種のビームラインを考慮中 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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

15 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。 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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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) WBB NBB OAB (106/cm2/1021POT) Tot. (CC) Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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エネルギースペクトルの比較 Linear Log WBB NBB OAB Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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ne の混入率 NBB (LE2p) OAB (2degree) 0.73%(total) 1.0%(total) K-decay m-decay Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

20 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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

21 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会
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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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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) Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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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) nm ne anti n Signal Generated 15340 297.0 1275 308.1 Survived 12.0 10.7 2.1 114.6 Red.eff. 0.08% 3.6% 0.16% 37.2% (With p0) 11.1 0.6 1.4 0.0 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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q13に対する感度、測定精度 5年間のビーム照射により 感度 sensitive down to C.L. 測定精度 ２°OAB 5year、(.ssys=0.1Nexp) √sstat2+ssys2 sstat. ２°OAB sin22qme sensitivity (0.003) Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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Dm213=3x10-3eV2以外では： 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. Dm2atm Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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ssys.=10% x Nexp と言っているが. . . 達成するためにはかなり高精度な測定が必要 p-N interaction → HARP n-N interaction → NuInt W.S. Reconstruction etc. . . ひとつの安心材料 K2K 前置検出器(1kt 水チェレンコフ) Observed # of p0： 4120 Observed # of m: (p0/m)DATA/(p0/m)MC = 1.03±0.02±0.02±0.09 JHFnuでもさらに高性能な前置検出器が必要 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

27 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会
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 Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会

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SUMMARY JHF-SK Neutrino 実験：２００７年開始予定 5年間（～5ｘ1021pot）のニュートリノビームで： sensitivity: 90%C.L. resolution: ~15% for sin22q13~.1,~70% for sin22q13~.01 CP 測定については午後の小林さんのトークに乞うご期待。 大気ニュートリノによるq13探索： Super-Kamiokande 1280日の大気ニュートリノデータ（Fully Contained events および Partially Contained events） を用いた3世代解析を行った。 (sin22q13<0.7) Pure nm → nt 振動と Consistent 原子炉実験（CHOOZ,Palo Verde） と Consistent Nov. 09, 2001 Y.Obayashi 特定・宇宙ニュートリノ第8回研究会