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T2K 実験前置 on-axis 検出器 INGRID によるニュートリノビーム測定. 京都大学 : 大谷 将士 2011 / 2 /20. 目次. ニュートリノ振動 T2K 実験 ニュートリノビームモニター INGRID RUN2010(2010/1~2010/6) の結果 INGRID によるビーム方向測定結果 etc. Current status. 2. ニュートリノ振動. - PowerPoint PPT Presentation
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T2K 実験前置 on-axis 検出器 INGRIDによるニュートリノビーム測定
京都大学 : 大谷 将士 2011/2/20
目次
2
ニュートリノ振動 T2K 実験 ニュートリノビームモニター INGRID RUN2010(2010/1~2010/6) の結果
INGRID によるビーム方向測定結果etc.
Current status
ニュートリノ振動
3
飛行中にニュートリノのフレーバー (e, μ, τ) が変化
ニュートリノ振動⇒混合角 θ とニュートリノ質量二乗差の決定
ニュートリノ振動の例
νμ 消失確率
:i 番目のニュートリノ質量
これまでの実験結果
4
Δm2
θ12 = 34±1°θ23< 45±18°θ13< 12°
7.06.04.0
7.06.04.0
21.055.08.0
MNSU
混合角
T2K 実験
5
茨城県 J-PARC で νμ ビーム生成⇒ Super-Kamiokande で観測νμ 消失モードの精密測定 (θ23, Δm2
23)
νμ ν⇒ e モードの発見 (θ13 の発見 ) 2010/1 ~ 6 月 : first physics run, 2010/11 ~ now: second run
実験原理
6
前置検出器(ND)
Super Kamiokande(SK)
イベ
ント
数
Eν
295km
ν ビーム
振動パラメーター sin22θ,Δm2 の決定
外挿
SK 予測 SK 観測
ND 観測
T2K 実験の特徴
7
295km
ν ビーム
p
π→νμ+μ
1.0
0 2.0 4.0Eν[GeV]
0
シグナル / バックグラウンド の増加
オフアクシス角度と予測イベント数に強い相関
・大強度ビーム・オフアクシスビーム ( ビーム中心を故意にずらす )
⇒ν ビーム方向の測定・モニターが必須
ビームモニター’ s
8
ν ビーム
p
π→νμ+μ
陽子ビームモニター’ s
MUMON
INGRID
強度モニター (CT) ・位置モニター (ESM) ・プロファイルモニター (SSEM, OTR)
→ 陽子標的に照射した陽子数を勘定→ 陽子標的にロスなく陽子を照射
μ 強度・プロファイルモニター→ 間接的に ν ビーム強度・方向をモニター
ν を観測し、 ν ビーム方向を直接モニター 要求精度 << 1mrad
ニュートリノビームモニター「INGRID」
9
前置検出器ホール ( 陽子標的から下流 280m) に設置 ビーム中心 ±10m に同一構造の 16 台のモジュール
Off-axis 検出器
INGRID
ビーム中心SK
方向
~10m
ビーム中心
INGRID モジュール
10
~1m3, 総重量 ~10ton 鉄 9 枚とシンチレータートラッカー 11 枚のサンドイッチ。
トラッカー : 縦横 24 枚のシンチレーター ( 長さ 120cm, 幅5cm, 厚み 1cm)
シンチレーター + ファイバー + MPPC 読み出し総チャンネル数 ~10’000
周りをシンチレーター VETO トラッカーで覆う
ν bea
m
トラッカー
VETO
ビーム方向の測定原理
11
鉄で ν 反応⇒ μ 飛跡を検出⇒ ν イベントを同定 一定期間での各モジュールでのイベント数からプロファイ
ルを再構成⇒ビーム中心を測定⇒陽子標的とを結んでビーム方向を同定
ビーム中心測定の要求精度 << 28cm (=280m x 1mrad)
ν
μ
シンチレーターエネルギー損失
ν 反応例
-5m +5m0mイ
ベン
ト数νμ
n
μ
p
W±
プロファイル再構成
T2K & INGRID history
12
2004 Proto-type test @ K2K
…
2008 Aug. ~ Dec
Assembly of scintillator plane
2009 Apr.~ May
First beam commissioning
With 1 module
2009 Jun.~ Oct,
Assembly and installation of all* modules
2009 Nov. ~ Resume beam commissioning
T2K first neutrino at INGRID(Nov. 22nd )
2010 Jan. Start physics run
* Not include shoulder and proton modules
INGRID 組織図
13
A.M.
T.N
M.Y
A.K.I
プレッシャー
村上くんフランス人達
プロトタイプ試験
建設
インストール
シフトアレンジ
先輩方
基本デザインの決定 鉄・構造体作り
scinti. plane 試験(3 カ月でビームテスト3 回 @Fuji beam test)
コミッショニング・インストール後試験・エレキ読み出し試験・オンラインモニター開発・整備
MC の開発・整備ν ビーム simulationν 反応 simulation
・製作 ( 全 ~10’000ch)・製作即座に試験
キャリブレーション・ MPPC ゲイン・宇宙線光量
データ解析・データ構造の整備・解析手法の開発・確立・整備
T2K その他約 500人
MPPC 試験
エレキ
(INGRID の親 )
俺
Run 2010(Jan.-Jun.) summary
14
Delivered POT
Total POT = 3.28x1019
(Max. intensity = 100kW)
target
target
p beam position @ Target
Well controlled p beam
MUMON center
Within 1 mrad
X centerY center
INGRID data taking summary
15
2009 年 9 月に全モジュールのインストール完了⇒ 11 月 22 日に T2K 初ニュートリノ観測⇒ 99% 以上の物理データを取得
期間 Good spill
INGRID efficiency
1/23 ~ 2/5 26813 26813 100%
2/24 ~ 2/28 59256 59070 99.7%
3/19 ~ 3/25 86980 86935 99.9%
4/14 ~ 5/1 237350 236647 99.7%
5/9 ~ 6/1 350079 350012 99.9%
6/7 ~ 6/26 246504 246410 99.9%
Data taking efficiency
T2K first neutrino
INGRID detector performance
16全チャンネル (~10’000) が安定して動作
MPPC ゲイン分布 ゲインヒストリー
ゲイ
ン宇宙線光量 全チャンネルの平均光量分布
…
イベントセレクション
17
Reject accidental noise event
Signal(ν interaction within module)
Hit timing clustering
Activity & PE cut
XZ and YZ Tracking & track matching
Beam timing cut
Upstream VETO
Fiducial cut
Reject background
イベントレートのモニター結果
18
1 日毎にイベントレートを測定 ( 統計誤差 ~1.7%/day)
平均値イベ
ント
数/1
014
pot
Integrated day
・イベントレートは安定
MC expectation
19
INGRID
Super Kamiokande(SK)
295km
ν ビーム
( イベント数 = ν ビームフラックス x 反応断面積 x 検出効率 )
フラックス不定性 ~ 20%
断面積不定性 ~ 20%検出効率の不定性 < 5%
DATA/MC
20
Vertex X # of active planes
Track angle
Normalized by potNormalized
by pot
Normalized by pot
MC で data を非常に良く再現
data/MC = 1.073±0.001(stat.)±0.040(syst.*)*only detector error
ν ビームプロファイル
21
ビームプロファイルを観測
水平方向 垂直方向
南北
中心 : 0.1 +- 2.9 cm 中心 : -10.9 +- 3.2 cm
2009 年 4 月のデータ
下 上
ビーム中心・方向の測定
22
水平方向 垂直方向 約 1 月毎にビーム中心を測定 ( 統計誤差 ~4.2cm)
・ビーム中心は安定・ X center = 0.2 ± 1.4(stat.) ± 9.2 (syst.) cm Y center = -6.6 ± 1.5(stat.) ± 10.4 (syst.) cm ⇒ 要求精度 (<<28cm) で測定
Comment to physics result
23
Will be officialized and published soon.( expected νμ events at SK(FCFV μ like) ~ 28 w/o osc. and 6 w/ osc. Observed νμ events = ?, νe events(FCFV e like) = ? )
preliminary
+ NND error(~5%)+ NSK error+ cross-section error…
Current status
24
2010/11 月からビーム運転再開
Delivered POT & intensity history
Intensity 100kW 135kW⇒
Beam center measured by INGRID
Beam direction within 1mrad
まとめ
25
T2K 実験は大強度 (→高統計 ) オフアクシス (→低バックグラウンド ) ニュートリノビームにより、ニュートリノ振動解析(νμ→ νx モードの精密測定、 νμ→ νe モードの発見 ) を行う。
2010/1 ~ 2010/6 : First physics runINGRID によってニュートリノビーム方向をモニター・測定
→ビーム方向による振動解析の不定性 : negligibleFirst result will be officialized soon
2010/11 ~ now : second physics run with higher intensity(100kW→135kW) and well controlled neutrino beam(δ(direction) << 1mrad)
バックアップ
26
27
28
29
30
31
32
前置検出器
33
Off-axis 検出器 ( スペクトル測定 )
INGRID( 方向測定 )
Off-axis
( スーパ
ーカ
ミオ
カン
デの
方向
)
ビーム中心
ビーム生成点から 280m 位置、地下 ~30m ν 反応を捉えて、ビーム方向、スペクトル等を測定
ν 反応 1
34
n
νμW
μ
p
CCQE(荷電カレント準弾性散乱 )
前置・後置検出器で主にこの反応を選択 μ のエネルギーと方向を測定
⇒ νμ のエネルギーが決定 ν ビームは主に νμだが、 ~1% の νe を含む
⇒ νμ→νe 振動のバックグラウンド
p
μνμ
n
νeW
e
p
イベントディスプレイの例
ν 反応 2
35etc.
n
νμW
μ
pπ
p
μπ
CC1π(荷電カレント 1π 反応 ) νμ
π をミスると CCQE と誤認識⇒後置検出器でのバックグラウンド源
NC( 中性カレント反応 )
p
νμZ
νμ
p
pνμ
Off-axis 検出器
36
νUA1 マグネット
TPC
FGD
・ μ,e運動量測定・ μ/e識別
・ ν 標的・ ν 反応識別
CCQE 反応からビーム νμ,νe のエネルギースペクトルを測定 CC1π 反応断面積の測定⇒後置検出器での BG 数予測
FGD(Fine Grained Detector)
37
シンチレータートラッカーの多層構造 ν 標的 & シンチレーターでのエネル
ギー損失から反応点付近の粒子を識別⇒ ν 反応の識別
FGD1: シンチレーター 1 tonFGD2: シンチレーター 0.5ton + 水0.5ton
184c
m
1層 192 本
ν
プラスチックシンチレーター (1cm2 断面 )
波長変換ファイバー
MPPC
1 チャンネルのコンポーネント
TPC(Time Projection Chamber)
38
MicroMEGAS(x,y) 読み出しドリフト時間 (z)→ トラックを再構成
磁場 (0.2T) で運動量測定 ガス中の dE/dx で μ/e識別 ビーム上流から TPC1, FGD1,
TPC2, FDC2, TPC3
x
y
z
イベントディスプレイの例
39
後置検出器スーパーカミオカンデ
40
水チェレンコフ検出器 , fiducial mass = 22.5kton リングイメージから μ/e選別
μ-like ring
e-like ring
Light yield with cosmic
41
Mean light yield = 23.1 ± 2.2 PE/1cmSufficient for track finding
Typical light yield of a channel
Mean light yield of all channel
*not include VETO
Using inter-spill cosmic data
Light yield stability
42
Mean light yield is stable
Channel efficiency with beam-induced muon
43
Efficiency map(module# 2)
Efficiency of all channel
100
98
96
Channel ID
Effi
cien
cy[%
]
Efficiency[%]
Channel efficiency is 98.0% ± 0.5% during 2010a
*inefficiency mainly comes from the gap btw scintillator
Use ~1e6 dirt muon events to measure hit efficiency
*not include VETO
Dimension of scintillator bar of MC The edge area is reflective
material. So the area is not efficient.
Due to this inefficient area, the hit efficiency is dependent on track angle (studied by Christophe, Matsumura-san, Otani-san).
After change MC, reproduce the angle dependency.
Photo : surface of scintillator bar
white area : the reflective material.
Previous MC(simple box)
Scintillator bar
New MC (octagon)
MC setting
Angular dependence of hit efficiency:DATA and MC
45
Angular dependence is well reproduced in MC
46
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