ニュートリノ振動実験 OPERA における ECC 内のガンマ線サーチ

ニュートリノ振動実験 OPERAにおける ECC 内のガンマ線サ

ーチF 研究室中塚裕司

OPERA 実験では約 10 イベントの τ 反応検出を目指している

• τ 粒子崩壊の ~85% は 1-prong 崩壊である（崩壊による荷電粒子がひとつしか出ない）

• その中で τ→h 崩壊は約 50% であり、そこでの検出効率の向上が重要である

• またが付随するものは 36.5% である。（ c~25nm)

1-prong 3-prong 5-prong

→ ~17.7% →3h ~15.0% →5h ~0.001%

→e ~17.8%

→h ~49.5%(with ~36.5%)

τ 粒子の崩壊モード

→h 崩壊におけるバックグラウンド

• τ→h 崩壊において、ハドロンの二次反応がバックグラウンドになる

• Kinematical cut 娘粒子の横向き運動量 Pt>600MeV/c• γ 線が付随している場合は Pt>300MeV/c に緩めることができる• →τの検出効率を上げることができる。

ハドロンの二次反応における Pt分布

がつくものは事象数が少ない。バックグランド同じで Ptカット半分

h

hh

ハドロンの二次反応（原子核との衝突）

→h 崩壊

τ→h 崩壊チャンネルにおける娘粒子の Pt 分布（娘粒子運動量 >2GeV/c,kink angle>20mrad 　（ MC ）

Pt （ GeV/c ）

[ Angle acceptance : |x|<0.6rad, |y|<0.6rad ]


Pt （ GeV/c ）

600MeV cut



Pt （ GeV/c ）

600MeV cut300MeV cut（ >0 gamma ）



Pt （ GeV/c ）


γ 線をとらえることで、 τ の検出効率を上げることができる


研究の目的

• τ の検出効率を上げる。

• そのために ECC 内で γ 線を検出する系統的な方法を開発する。

• その Pointing 精度を検証し、 kink point か primary vertex から γ 線が　来たのかを区別できるかを調べる。

→2γ 線のエネルギー分布　（ MC ）

Momentum （ GeV/c ）

gamma >= 500MeV/c → 70%

daughter P > 2GeV/ckink angle > 20mraddaughter Pt > 300MeV/c


→h 崩壊に伴う→ 2γ 線のエネルギー分布　（ MC ）

gamma >= 500MeV/c → 70%



反応に伴う→ 2γ 線により生成された γ 線のエネルギー分布　（ MC ）

→2γ 線のエネルギー分布　（ MC ）


gamma >= 500MeV/c → 70%

daughter P > 2GeV/ckink angle > 20mraddaughter Pt > 300MeV/c


→h 崩壊に伴う→ 2γ 線のエネルギー分布　（ MC ）反応に伴う→ 2γ 線により生成された γ 線のエネルギー分布　（ MC ）

gamma >= 500MeV/c → 70%



→ h 崩壊の分布と似た形をしている→ h 崩壊からの γ 線検出、 pointing 精度の良い検証ができる

鉛中での γ 線と対生成された電子（陽電子）

γ 線はエネルギー～数百 MeV 領域では相互作用はほとんど対生成反応のみ対生成するまでは vertex point から鉛中を直進する。一方発生した電子（陽電子）は鉛中で散乱を受ける。

Conversion length Xp : 　鉛中 ~7.2mm

γ 線

e+

e-

鉛中での電磁波の相互作用の断面積

原子核

ECC 内での γ 線サーチ

vertexpoint

vertex plate

原子核乾板 0.3mm 鉛 1mm

ニュートリノ反応点である primary vertex の周囲の飛跡を、飛跡読み取り装置で測定されたデータ上で再構成する。飛跡と primary vertex 結ぶ仮想的な γ 線を考える。


vertexpoint

vertex plate

条件：飛跡がフィルム 2 枚以上つながる。つなぎの条件は 500MeV/c, 3σ x,y projection で < 30mrad 　 250MeV/c の電子の 86% 相当を含む角度。　　　 vertex plate に飛跡は存在しない。　　　　


選び出した飛跡の目視によるマニュアルチェックランダムに選んだ OPERA ニュートリノ反応 30 イベント

(CC22 NC8) Track/30event Track/event

選ばれた飛跡本数 123 4.1

primary track( 読み取り装置の ineffciency)

47 (~38%) 1.6

Cosmic Ray 7 (~6%) 0.2

Fake track 37 (~30%) 1.2

Electron track候補 32 (30γ) (~26%) 1.1

mm/30event mm/event

探索鉛枚数 173 5.77

Fake track 　バックグラウンドからの低エネルギー電子による偽の飛跡。

Cosmic ray （輸送時）　イタリアへの輸送時に原子核乾板に写った宇宙線の飛跡。データ上で除外することができる。

Vertex track 　ニュートリノ反応点からの飛跡。


vertexpoint

vertex plate

条件：飛跡がフィルム 2 枚以上つながる。つなぎの条件は 500MeV/c, 3σ x,y projection で dq < 30mrad 　 250MeV/c の電子の 85.9% 相当の散乱角を含む。　　　 vertex plate に飛跡は存在しない。　　　　


check


vertexpoint

vertex plate

条件：飛跡がフィルム 2 枚以上つながる。つなぎの条件は 500MeV/c, 3σ x,y projection で dq < 30mrad 　 250MeV/c の電子の 85.9% 相当の散乱角を含む。　　　 vertex plate に飛跡は存在しない。　　　　


ineff

electron

×

MC と実際のデータとの比較

OPERA ニュートリノ反応イベントに対し鉛探索範囲 ~6mm に対し期待されるγ 線検出数は0.9γ/event

実際の 30 イベントに対しサーチを行った結果は1.0+-0.2γ/event

高い検出効率で γ 線が見つかっている

見つかった γ 線の分類

<~100um

？

数 micron 離れている9γ

~100micron 以内の範囲に片方がいる 5γ

電子対を確認できた γ 線 14片方の電子（陽電子）しか確認できなかった γ 線 16

一本の飛跡しか確認されなかった　 16γ

100micron 以上離れてしまっている可能性がある。

γ 線の Pointing 精度

)( 22 daydax

vertexpoint

dz

dzIP

Impact Parameter

τ 粒子の平均 IP ~c87micron 　Vertex 分離のための値の目安

Pointing 精度32γ Pair が確認された

片方しか確認されなかった

Pointing 精度32γ

Vertex の分離を議論できる目安c87micron

Pair が確認された片方しか確認されなかった

測定された角度ずれと散乱量から推測される角度ずれ電子のもつ角度ずれの主な原因、鉛中の多重散乱→運動量に相当。鉛中で対生成を起こした深さ→不定性がある。電子（陽電子）の運動量に相当する各フィルム間での角度差を測定する。実際の角度差との比較をする。

運動量から推測される角度ずれ

Pointing 精度32γ

0.02rad 0.02rad0.04rad 0.04rad

Pair が確認された片方しか確認されなかった

電子（陽電子）の飛跡の散乱量の推定方法

ii dXid )/exp( 0

電子（陽電子）の飛跡

exp 1

X0

exp 2

X0

exp 3

X0

exp 4

X0

= = = =

d1

d2

d3

d4

d1

d2

d3

d4

n

dn

ii

scattRMS

1

2)(

制動放射のエネルギーロス補正項

000

1

)/exp(

6.13

XXiEd i


γ 線

)/exp( 00 XxEE

推定された散乱量と実際の角度ずれの比較サンプル： 20γ

estobs / estobs /

Primary vertex との角度ずれ

運動量からの推定値


estobs /

τ→h γ1

τ→h γ2

混じってしまう分離できる




estobs /

τ→h γ1

τ→h γ2

混じってしまう分離できる

estobs /



まとめと展望τ からの γ 線をとらえ、検出効率の向上を目指している。

OPERA ニュートリノ 30 イベントに対して、 30γ を見つけた。MC 0.9γ/event本手法により、 ECC 内での γ 線を、高い検出効率でサーチできることがわかった。

Pointing 精度はまだ課題があるが、 primary vertex から来たのか、 kink pointから来たのかを判定できることを示した。

課題統計数を上げる。より正確な運動量推定方法。

Back up

測定された角度ずれと散乱量から推測される角度ずれ

電子のもつ角度ずれの主な原因、鉛中の多重散乱→運動量に相当。

鉛中で対生成を起こした深さ→不定性がある。

電子（陽電子）の運動量に相当する各フィルム間での角度差を測定する。

実際の角度差との比較をする。

Primary vertex

Secoundary vertex


Pt （ GeV/c ）



(399+352)/399=1.88 倍70% 1.6 倍　鉛 5mm ~1.3 倍

dax-day

OPERA における hadronic kink 候補の判断基準（ 10 年前のプロポーザルで定めた基準 → ブラインド）

・ 1ry vertex の下流の鉛 2 枚以内で kink している・ kink 角は 20mrad 以上・ daughter の運動量は 2GeV/c 以上・ decay Pt は 600MeV/c 以上（ガンマ線が kink についている場合は 300MeV/c 以上）・ 1ry vertex における missing Pt は 1GeV/c 以下・合成ハドロン運動量ベクトルと親粒子運動量ベクトルの方位角の差が /2 rad 以上

運動力学的なカット

崩壊探索方法MC によるニニニニニニニニニ IP 分布

（ⅰ） 10 < IP < 500 m ニ飛跡を候補として選別する（ⅱ） IP が大きい理由を特定する

[ IP が大きくなる理由 ]

　　・実際に崩壊様式　　・鉛による多重電磁散乱

（ⅲ）運動力学的カット

IP distribution for:events (MC)

IP distribution for: events (MC) NC+CC events (MC) NC+CC events (Data)

expanded scale

Mean 104.3 m

Pair の見え方Pair に見えるものの割合。その原因。Pair 間の opening angle,両者の距離。角度ずれと比較してどうか。


エネルギー 500MeV/c までの γ 線をとらえることを目標とする。片方の電子が少なくとも 250MeV/c 以上のエネルギーを持つとして、電子の受ける角度ずれの推定 )()()( 222

errscattop

radcMeVpcMeVop 002.0~250/5.0)/(/)/(5.0~

raderr 003.0~

radX

mm

cp

MeVscatt 0163.0

5.06.13~

0

rad0167.0)003.0()0163.0()002.0( 222

対生成時の opening angle

鉛 500micron で電子の受ける多重散乱量X0=5.6mm

飛跡読み取り装置の角度精度

0.03rad ~ 1.8σ=92.7% (92.7%)^2=85.9% 相当の散乱角を含む

原子核乾板： OPERA フィルム

厚さ 205micron のプラスチックベースの両端に 44micron の乳剤を塗布してある。荷電粒子が通ると乳剤層に飛跡を残す。乳剤の組成： AgBr 結晶とゼラチンの混合物。荷電粒子が通った跡に沿ってイオン化された Ag が出来る。

実際の飛跡の写真

見つかった γ 線からの電子（陽電子）の飛跡

サーチによる γ 線　 30先頭の segment の base track が飛跡読み取り装置で測定された　 21γ 　~70%電子対が確かめられた　 14γ 　 ~47%電子対の両者ともが飛跡読み取り装置で測定された　 2γ 　 ~7%

合計 30γ(32 電子 track) をデータ上で探した候補の中からマニュアルチェックを経て確認した。

Vertex plate での γ 線　 2 ( 系統的には探していない）電子対　 1γ電子対の両者とも飛跡読み取り装置で測定された　 1γ

選び出した飛跡の目視によるマニュアルチェックランダムに選んだ OPERA ニュートリノ反応 30 イベント

Track/30event Track/event

選ばれた飛跡本数 200(vtx plate 除かない )

6.6

Vertex plateに飛跡が存在 124 (~62.0%) vtx 77 ineff 47

4.1

Electron track候補 32 (30γ) (~16.0%) 1.1

Fake track 37 (~18.5%) 1.2

Cosmic ray 7 (~3.5%) 0.2

mm/30event mm/event

探索鉛枚数 173 5.77

Fake track 　バックグラウンドからの低エネルギー電子による偽の飛跡。

Cosmic ray （輸送時）　イタリアへの輸送時にフィルムに写った宇宙線の飛跡。データ上で除外することができる。

Vertex track 　ニュートリノ反応点からの飛跡。

選ばれた飛跡の詳細

200

77 vtx track

123

Ineff vtx track 47electron 32fake track 37CR (TrCR6) 7

Vtx plate にも存在

サーチする飛跡

Vtx base track effciency=77/(47+77)=77/124=62%

OPERA フィルムに写る飛跡

neutrino

OPERA フィルム

反応点

生成粒子

micro track

micro track

base track

OPERA フィルム断面図

x

yz

OPERA フィルムに写る飛跡

neutrino

OPERA フィルム

反応点

生成粒子

micro track

micro track

base track

OPERA フィルム断面図

dz

dx,dy

x

yz

γ detection efficiency (MC)線

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Momentum (GeV/ c)

Effi

cie

ncy

γ 線の検出効率の運動量依存性（ MC ）

鉛に角度 (0,0) の γ 線を打ち込んだときの電子対の一方が角度 (0.03,0.03) 以内になるようなものの割合。鉛は無限大の長さ。エネルギー依存性を見ている。


MC の説明 0.9γ/eventpythia

シミュレーション条件：電子の飛跡が 2枚以上つながっている最上流の電子の飛跡が角度 30mrad 以内で vertex point に向かっている飛跡の検出効率は 100%電子対のうち一つ以上を検出できる鉛探索範囲は 6mm である

OPERA ニュートリノ反応 1000 イベントCC762,NC238　　　　　　　　　↓　CC2319γ + NC709γ= 3028γ (~1500π0)　　　　　　　　　↓dθ<0.03 , linklet でつながる　 1700γ　　　　　　　　　↓鉛 6mm 　 904γ　　　　　　　　　↓Θ<0.6 866γ866/1000 ~ 0.9

電子の制動放射と電磁波の断面積

)/287ln()1(4/1 20 ZZZ

A

NrX Ae

1000 個の MCνμ イベントについて

2011/02/13

π0 についてCC ： 1102個　 (762 イベント )NC ： 333個　 (238 イベント )合計： 1435個　 (1000 イベント )

Epi0GeV]

rho eta Delta omega の崩壊からの pi0 も多数含まれるが、これらは短寿命なため、 1ry からの pi0 と認識される。→1ry or decay の区別はしていない

Eγ

GeV

]

Angle [rad]

3028 個の γ 線についてエネルギーとその角度 sqrt(ax*ax+ay*ay) の２次元 plot

EGeV]

平均 23.6GeV 　 interacted なニュートリノエネルギー！

（注意） CNGS のビームとしては平均 17GeV であるが、実際にニュートリノ反応をするものはエネルギーに比例して反応断面積が増加する効果が見えている。

ニュートリノ振動

あるニュートリノの種類が別の種類のニュートリノへ変化する現象。弱い相互作用の固有状態（香りの固有状態）が質量固有状態の重ね合わせになっている。1962年名古屋大学の牧、中川、坂田氏らによって提唱された。

e

)(

)()(27.1sin2sin~ 2

2322

232

GeVE

kmLeVmP τμ　

振動確率は→のとき、

L: ニュートリノの進んだ距離　 E: ニュートリノのエネルギー質量があれば振動が生じる

3

2

2323

2323

cossin

sincos

2世代間での混合行列

OPERA 実験

• SK で μ ニュートリノの減少 (disappearance) によるニュートリノ振動を示唆する結果が得られた。

• ニュートリノが確かに別種のニュートリノに変化していることを示した実験結果はまだない。

• OPREA 実験はからへ変化したニュートリノをとらえる。(appearance)

• ニュートリノ振動に最終決着を与える実験

イタリア Gran Sasso 地下の OPERA 検出器で→への振動をとらえる

CERN SPS

732km

イタリア Gran Sasso 研究所地下 1400m

%7.1~27.1sin2sin~ 2322

232

E

LmP τμ　

( Δm232 = (2.43±0.13)×10-3 eV2 , sin22θ23 = 1.0, L/E = 43km/GeV)

GeVE 17

OPERA 検出器全体像

高さ 10m,幅 10m,奥行き 20m原子核乾板とカウンターからなる複合検出器

Target section Target sectionMuon spectrometer Muon spectrometer

Super Module 1 Super Module 2


高さ 10m,幅 10m,奥行き 20m原子核乾板とカウンターからなる複合検出器


高さ 10m, 幅 10m, 奥行き 20m原子核乾板とカウンターからなる複合検出器15 万 ECC, 1.25 kton target

主検出器 ECC

125mm

100mm

75.4mm

8.3kg10X0

Neutrino Beam

Lead plate : 1mm

56枚の鉛プレート（厚み 1mm ）と、 57枚の原子核乾板とのサンドイッチ構造原子核乾板：電荷を持った粒子の飛跡を記録する鉛中での radiation length X0 ~5.6mm 　 ECC全体では 10X0

τ ニュートリノ反応

τ 粒子の c~87micronECC 内で、 τ 粒子の反応をトポロジー解析、運動力学的解析によってとらえる。

ファインマン・ダイアグラム実験室系

τ ニュートリノ反応

τ 粒子の c~87micronECC 内で、 τ 粒子の反応をトポロジー解析、運動力学的解析によってとらえる。

ファインマン・ダイアグラム実験室系鉛 1mm

primaryvertex

decay point

ECC 内

原子核乾板 0.3mm

以前のスライド

推定された散乱量と実際の角度ずれの比較

Pointing 精度を評価する量

22esterrobserr

estobs

Pointing 精度35 電子 track32γ

IP<10μm 　 6 電子 track

τ の平均 IP ~cτ87micron 　グラフ？Pointing 精度の為に必要な IP は大まかな値として ~10micron

dzIP )( 22 daydax

γ 線の Impact Parameter(IP) の定義dz ： vertex point までの深さdax,day ：角度ずれ

Pointing 精度1st segment が S-UTS で測定されている 25 電子 track23γ



dzIP )( 22 daydax


Pointing 精度1st segment が S-UTS で測定されている



dzIP )( 22 daydax





dzIP )( 22 daydax





dzIP )( 22 daydax





dzIP )( 22 daydax


Pointing 精度32γ γ 線の Impact Parameter(IP) の定義

dz ： vertex point までの深さdax,day ：角度ずれ

Pointing 精度32γ


dzIP )( 22 daydax


Pointing 精度32γ


dzIP )( 22 daydax


Documents

ニュートリノ振動実験 OPERA における ECC 内のガンマ線サーチ