11

ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ－原子核反応断面積ニュートリノ－原子核反応断面積

ととT2K near detectorT2K near detector

中家　剛（京大理）中家　剛（京大理）

日本物理学会 2007 年春3 月 27 日＠首都大学東京

K2KK2K

22

始めに始めに ニュートリノと原子核反応（～ニュートリノと原子核反応（～ GeVGeV 領域）領域）

古い物理：古い物理： ~1980~1980 年頃に主に泡箱で測定された。年頃に主に泡箱で測定された。 現在電弱相互作用は高精度で検証されている。現在電弱相互作用は高精度で検証されている。 少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。 ニュートリノビームの不定性も大。ニュートリノビームの不定性も大。

最近脚光を浴びている。最近脚光を浴びている。 ニュートリノ振動実験のために高精度なデータが必要。ニュートリノ振動実験のために高精度なデータが必要。 実験データの存在が必要不可欠実験データの存在が必要不可欠 原子核のモデル化、➪原子核のモデル化、➪

汎用シミュレーターの開発汎用シミュレーターの開発

pp

<<<<<<

n p

33

Series of WorkshopsSeries of Workshops

NuInt07NuInt07

Gran Sasso

44

ContentsContents1.1. K2KK2K 実験と実験と T2KT2K 実験実験2.2. ニュートリノ・原子核反応断面積（ニュートリノ・原子核反応断面積（ K2KK2K 実験）実験）

1.1. K2KK2K ビームと前置ニュートリノ測定器ビームと前置ニュートリノ測定器2.2. CC Quasi-ElasticCC Quasi-Elastic 反応反応3.3. CC/NC-1CC/NC-1 反応反応

1.1. NC 1NC 100

2.2. CC-coherent CC-coherent

4.4. Nuclear de-excitation Nuclear de-excitation and NC elastic and NC elastic5.5. Expected new results from K2KExpected new results from K2K

3.3. T2K Near DetectorsT2K Near Detectors （（ T2KT2K 実験）実験）1.1. T2K T2K Beam Beam2.2. T2K ND280 with New TechnologyT2K ND280 with New Technology

4.4. SummarySummary

55

1. K2K and T2K1. K2K and T2K

J-PARCJ-PARC

K2K (KEK to[2] Kamioka)K2K (KEK to[2] Kamioka) 　　 1999~20051999~2005 世界初の長基線ニュートリノ振動実験。世界初の長基線ニュートリノ振動実験。 ニュートリノ振動を確認。ニュートリノ振動を確認。

T2K (Tokai to[2] Kamioka) 2009~T2K (Tokai to[2] Kamioka) 2009~ 世界最高感度の加速器ニュートリノ振動実験世界最高感度の加速器ニュートリノ振動実験

KEKKEK

66

2.2. ニュートリノ・原子核反応断面積（ニュートリノ・原子核反応断面積（ K2KK2K実験）実験） K2KK2K 実験からの物理論文実験からの物理論文

ニュートリノ振動：６編ニュートリノ振動：６編 PRD74(2006), 072003 {39 pages long}PRD74(2006), 072003 {39 pages long}

ニュートリノ反応断面積：３編ニュートリノ反応断面積：３編 NC-1NC-100 の生成断面積の生成断面積

T2KT2K 実験における電子ニュートリノ探索のバックグラ実験における電子ニュートリノ探索のバックグラウンドウンド

NCNC 反応を選択（ニュートリノフレーバーに依らない）反応を選択（ニュートリノフレーバーに依らない） CC coherent CC coherent の探索の探索

ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上（バックグニュートリノエネルギー測定の信頼度向上（バックグラウンドの理解）ラウンドの理解）

CC Quasi-ElasticCC Quasi-Elastic 反応の反応の Axial Vector MassAxial Vector Mass の測定の測定 ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上（信号の理ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上（信号の理

解）解）

77

　ＧｅＶ領域のニュートリノエネルギー測定　ＧｅＶ領域のニュートリノエネルギー測定

cospEm

mEmE

N

N

22

+ n → + p -

p

(E, p)

QE

inelastic

CC quasi elastic (QE) CC inelastic

+ n → + p +

-

p

(E, p)

’s

　ニュートリノエネルギーは終状態のみから測定可能。入射エネルギーは分からな

い。　終状態

準弾性散乱（ ~50% ）非弾性散乱（ ~50% ）

➪ 各種のニュートリノ反応の理解が重要。

88

2.1 K2K2.1 K2K ビームと前置ニュートリノ測定器ビームと前置ニュートリノ測定器

K2K BeamK2K Beam ~98% pure ~98% pure beam with <E>~1.3GeV beam with <E>~1.3GeV

K2K Near DetectorsK2K Near Detectors 4 detectors with H4 detectors with H22O, HC and Fe targets.O, HC and Fe targets.

Lead Glass or

K2K beam

99

2.2 CC Quasi-Elastic2.2 CC Quasi-Elastic 反応の研究反応の研究 -- -- ニュートリノエネルギー測定の主チャンネニュートリノエネルギー測定の主チャンネルーールーー

Scintillation Fiber planes aScintillation Fiber planes and Water Target sandwich nd Water Target sandwich trackingtracking detector detector PP > 600 MeV/c > 600 MeV/c

PPpp > 600 MeV/c > 600 MeV/c not always seennot always seen

pCC-QE candidate event

1010

4

22

222

2

222

2 8 nn

cFnQECC

m

usqC

m

usqBqA

E

Gm

dq

d)()()(

cos

222

2

1

27201

)(

.)(

A

AMq

qF

( ＊ )A,B,C は q2 、 F1V 、 F2

v 、 FA

の関数。

ニュートリノビームの絶対フラックスを高精度で見積もるのは困難（不可能？）

d/dq2 の分布の形で MA

を測定する。

Axial-Vector Form Factor with a dipole approximation.(only given from scattering)

1111

MA= MA= 1.20±0.12 GeV/c1.20±0.12 GeV/c22

Largest systematic errorsLargest systematic errors Muon momentum scale: Muon momentum scale: 0.070.07 neutrino beam flux:neutrino beam flux: 0.070.07

not used in fit (nuclear effect)

22 2 mpEEQ QEQE cos

cospEm

mEmE

N

NQE

22

with

QQE2 (GeV/c) 2 QQE

2 (GeV/c) 2

One-track events. Two-track QE events.

(a proton with QE kinematics)

PRD74(2006), 052002

1212

Discussion w/ the past measurementsDiscussion w/ the past measurements

We measured MWe measured MAA from the from the qq22 shape. shape. Systematic difference from the measurement of Systematic difference from the measurement of

the total cross section?the total cross section?

np)

Neutrino Energy (GeV)

(1

0-38c

m2)

K2K

CC-QE cross section

MA (GeV/c2)

K2K result

0 0.8 1 1.2 10-1 1 10

1313

2.3 CC/NC-12.3 CC/NC-1 反応 反応 ((NC-1NC-100))

NC: NC: +N→+N→+N’++N’+00

1KT Water Cherenkov Detector1KT Water Cherenkov Detector Two Electron Ring Events.Two Electron Ring Events. Reconstruct Reconstruct inv. mass. inv. mass.

M (MeV/c2)

Not NC-10

NC-10

1414

An important channel to study An important channel to study ee appearance. appearance.

A further study is necessary!A further study is necessary! Nuclear EffectNuclear Effect non NC-1non NC-100 channel. channel.

.)(..)(.. sysstatallCC

NC 00700010064001

⇐ model prediction with NEUT: 0.065

NEUT

PLB 619(2005), 255-262

1515

In K2K, there was a long-standing In K2K, there was a long-standing puzzlepuzzle of t of the deficit of forward going he deficit of forward going events. events. 小さな 小さな CC coherent CC coherent 断面積が原因断面積が原因 ..

2.3 CC/NC-1p 2.3 CC/NC-1p 反応 反応 (CC coherent (CC coherent ++))

N

N

<<

t ~ 0

<<<

ニュートリノが原子核とコヒーレントに反応してπを生成。

CC 1 (+N+N+) Coherent

1616

SciBar DetectorSciBar Detector

Extrudedscintillator(15t)

Multi-anodePMT (64 ch.)

Wave-lengthshifting fiber

EM calorimeter

1.7m

3m

3m

• 抽出型シンチレータを波長変換ファイバーで読み出す。

• 2.5 x 1.3 x 300 cm3 セルサイズ• ~15000 チェンネル• 短いトラックも見える (>8cm) • π と陽子を dE/dx で識別 High track finding efficiency (>99%)

Clear identification of ν interaction process

CC-QE event candidate

1717

QQ22 distribution in the CC-coherent distribution in the CC-coherent samplesample

Signal Region (S/N ~ 1)

CC coherent-CC coherent- 事象は観測されなかった。事象は観測されなかった。

.).%(. LCallCC

coherentCC 90106080 2

⇐ model prediction with NEUT: 2.66710-2

New and modified models are proposed to explain the small cross section.

1818

How is the NC coherent How is the NC coherent cross section cross section at the low energy?at the low energy?

0.65x10-40

PRL95, 252301 (2006)

Coherent cross section

1919

2.4 Nuclear de-excitation 2.4 Nuclear de-excitation and NC and NC elastic elastic NC: NC: + p → + p → + p + p

15N*

16O

p

Proton Decay: pProton Decay: p→→KK++

16O K+

15N*

2020

ppKK++ Signal Signal -- Prompt -- Prompt tag is a very powerful tool. tag is a very powerful tool.

2,200ns

2121

1KT Neutrino Beam data 1KT Neutrino Beam data

Analyzed ~1/10 K2K data.Analyzed ~1/10 K2K data. Observation: 6504.1 events.Observation: 6504.1 events. MC prediction: 5273 events.MC prediction: 5273 events. Data/MC = 1.23 Data/MC = 1.23 ±0.04(stat.) ±0.06(sys.)±0.04(stat.) ±0.06(sys.)

MC

First Observation of rays from de-excitation of nuclei induced by neutrino interactions.

Good confirmation of prompt -ray tag in the proton decay search.

Good NC samples for neutrino oscillation study. ~60% NC-elastic ~80% NC interactions.

Nucl.Phys.Proc.Suppl.159 (2006), 44-49

2222

2.5 Expected New Results 2.5 Expected New Results from K2Kfrom K2K

1KT1KT CC 1CC 100 study for proton decay search BG study for proton decay search BG

SciBarSciBar CC 1CC 1++ production cross section production cross section CC CC production cross section production cross section

More?More?

2323

2.5deg beam center28.5m

Ground levelOff-axis Detector

On-axis Detector

Neutrino Profile & the beam center

3. T2K Near Detectors3. T2K Near Detectors

Magnet: 0.2 T outer: 6.1m(H) x 5.6m(W) x 7.6m(L) inner: 3.6m x 3.5m x 7.0m

Neutrino Beam Flux & SpectrumNeutrino Interactions

2424

3.1 T2K 3.1 T2K Beam Beam

SK

Near Detector

Beam dump-monitor

Decay Volume

Target &horn

Extraction point

280m

OA

OA3

OA0

OA2OA2.5

energy spectrum (flux Cross Section)

Oscillation Prob.@ L=295kmm2=2.510-3, 3.010-3[eV2]

Conventional Conventional beam beam:: p + Graphite target p + Graphite target ’s’s or or is focused selectively is focused selectively

by 3 electromagnetic horns. by 3 electromagnetic horns. or or

Off-Axis technique: (OA = 2Off-Axis technique: (OA = 2 ~ 2.5 ~ 2.5)) Tune Tune energy at oscillation max. energy at oscillation max. Reduce the high energy neutrinos.Reduce the high energy neutrinos.

2525

Spectrometer in the magnet.Spectrometer in the magnet. Finer-Grained target Detector (FGD)Finer-Grained target Detector (FGD)

111 cm1 cm22 segmentation (SciBar: 2.5 segmentation (SciBar: 2.51.3 cm1.3 cm22) ) Large TPC (2.5Large TPC (2.52.52.51m1m33 3)3) EM calorimeter and Muon Catcher surroundsEM calorimeter and Muon Catcher surrounds

00 dedicated detector (P0D) dedicated detector (P0D)

Physics purposePhysics purpose Measure Measure -flux in SK direction-flux in SK direction : :

NDND(E(E)).. Measure Measure , , and and ee++ee fluxes. fluxes.

Neutrino energy w/ CC-QE.Neutrino energy w/ CC-QE.

Cross sections of Cross sections of interactions interactions CC-1CC-1 BG for E BG for E reconstruction reconstruction

NC-1NC-100: BG for : BG for ee detection detection

~0.1 events/ton/spill

Reuse of UA1 magnet

3.2 T2K ND280-offaxis3.2 T2K ND280-offaxis

2626

ND280 and New TechnologyND280 and New Technology

New photo-sensor (Multi-pixel Si New photo-sensor (Multi-pixel Si APDs) for all scintillator detectors: APDs) for all scintillator detectors: P0D, FGD, ECAL, SMRDP0D, FGD, ECAL, SMRD

Muon Range Detector

P0DDedicated 0

Detector

ECAL for0

e

2FGD + 3TPC for

w/ Water Target

w/ Micromegas

8mmUA1/NOMAD magnet w/ 0.2T

(3.53.6 7m3)

FGD scintillator

10mm

1mm

1mmHPK MPPC

CPTA MRS-APD

w/ Water Target

2727(copy from http://cbernet.home.cern.ch/cbernet/Micromegas)

Micromegas for TPC

2828

2929

New Photo Sensors (maybe familiar as SiPM)New Photo Sensors (maybe familiar as SiPM)

安価でコンパクト安価でコンパクト 磁場中で使用可能磁場中で使用可能 低電圧（低電圧（ ~70V~70V ）で動いて高ゲイン（）で動いて高ゲイン（ 101066 ）） 高い光子検出率（緑の光に対してＰＭＴ高い光子検出率（緑の光に対してＰＭＴ ~2~2倍強）倍強）

ノイズが多い（ノイズが多い（ ~O(100kHz)~O(100kHz) ））

0

12

3

4

5

67 8

光子計測

MRS APD(Russia)

HPK MPPC(Japan)

KEK 測定器開発室を中心に開発・試験中

T2K 実験で約 60,000 チャンネル使用（ 2007-2008 年）

1mm

100m

3030

CCQE

CCQE CCQE

Pp

P

0 1 2 (GeV/c)

0 1 2 3 4 (GeV/c) 0 40 80 120 160 (degree)

Neutrino Interactions Neutrino Interactions at ND280at ND280

3131

4. Summary4. Summary（個人的見解）（個人的見解） ニュートリノと原子核反応の物理自身は古い物理であるが、ニュートリノと原子核反応の物理自身は古い物理であるが、

ＧｅＶ領域のニュートリノ振動研究に必要不可欠の情報。ＧｅＶ領域のニュートリノ振動研究に必要不可欠の情報。 他の例：ＬＨＣの新物理探索においてＱＣＤの研究が必他の例：ＬＨＣの新物理探索においてＱＣＤの研究が必

要。要。 気付いていない物理を引き出せる可能性もある（後半の講気付いていない物理を引き出せる可能性もある（後半の講演参照）。演参照）。 ΔsΔs を測る？を測る？ 様々なパズル様々なパズル①①　ＣＣとＮＣのコヒーレント　ＣＣとＮＣのコヒーレント ππ 反応の断面積比は？反応の断面積比は？②②　ＣＣ　ＣＣ --ＱＥのフォームファクターは？　なぜＱＥのフォームファクターは？　なぜ MMAA~1.~1.2?2?③③　ニュートリノ反応断面積の絶対値？　ニュートリノ反応断面積の絶対値？

新しい領域で、各人のアイデアを活かせる。新しい領域で、各人のアイデアを活かせる。 ただし、解析や研究のテンプレートは無いので、チャレただし、解析や研究のテンプレートは無いので、チャレ

ンジしがいはある。ンジしがいはある。

3232

SummarySummary

K2KK2K 実験（実験（ 1999-20051999-2005 ）） ニュートリノ振動の結果は完結。ニュートリノ振動の結果は完結。 ニュートリノ・原子核反応の解析は地道にニュートリノ・原子核反応の解析は地道に進んでいる進んでいる (( 主に外国人メンバーによる主に外国人メンバーによる )) 。。

Ｔ２Ｋ実験（Ｔ２Ｋ実験（ 2009-2009- ）） ビームライン、ビームモニター、前置測定ビームライン、ビームモニター、前置測定

器の建設とスーパーカミオカンデのアップ器の建設とスーパーカミオカンデのアップグレードが進行中。グレードが進行中。 立ち上げのピークに向けて、活躍できる現場が立ち上げのピークに向けて、活躍できる現場が多くある。そのまま物理につながる。多くある。そのまま物理につながる。

即戦力求む！即戦力求む！

3333

BackupBackup

3434

NON NC-1NON NC-100 fraction fraction

3535

QQ22 distribution in the CC-coherent distribution in the CC-coherent samplesample

No Evidence of CC-coherent No Evidence of CC-coherent process process at low energyat low energy

Signal Region (S/N ~ 1)

In the Signal Region,In the Signal Region,

Observation: Observation: 113113 BG estimate: BG estimate: 111.4111.410.6(stat.)10.6(stat.) Signal prediction by the Rein&Sehgal model: Signal prediction by the Rein&Sehgal model: 9999

3636

Upper limit on σ(CC-coherent Upper limit on σ(CC-coherent )/σ()/σ(CC)CC)

(90%CL) 100.608

.)}(.)(.{0.044

)() (

2-

.

.

23310

3630 102910 syststat

CCcoherentCC

absorption in the nucleus +0.171, -0.08BG estimation from CC-1 +0.144, *

Nuclear effect and neutrino interaction (+0.273, -0.253)

Main Systematic uncertainties

⇔ Rein & Sehgal : 2.667 x 10-2

3737

A Novel Idea: Prompt A Novel Idea: Prompt tag tag

A proton in A proton in 1616O decays (or disappears)O decays (or disappears)

➾ ➾ 41%41% 6.3MeV 6.3MeV -ray-ray generates generates

This propmt This propmt events will be measured at events will be measured at K2KK2K by by NC elastic scattering (NC elastic scattering (++1616OO++1515NN**++pp).).

15N*

16O K+

Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:44-49,2006

3838

1-ring 1-ring -like-like 215215pp260MeV/c260MeV/c

1 Decay electron1 Decay electron No proton ringNo proton ring 77NNhithit60 (prompt 60 (prompt ))

EfficiencyEfficiency = 8.6%= 8.6%

pp/BR(p/BR(pKK++) >) > 1.1 x101.1 x103333 years (90% CL)years (90% CL)

w/ 0.7 expected w/ 0.7 expected BackgroundBackground events events

Nhit

3939

J-PARC schedule w/ beam power estimationJ-PARC schedule w/ beam power estimation

Hardware upgrade is necessary for 1MW.

0.75 MW

Target date for new RF system installation.

4040

14 Iron/Sci sandwich trackers are placed with a “cross shape” around the beam axis

Each tracker consists of 10 iron plates and 11 scintillator strip planes

+ veto planes around each tracker

10cm

10cm　　　 x & y views

On-Axis Neutrino Monitor (INGRID)

Design-A

Design-B

OR

- Extruded Scintillators- Photo-Sensor (MPPC/SiPM)

4141

K2K-SciBar

FGD

Scinitillation counter: 1cm1cm( better segmentation then K2K)

2300mm

365mm

2

Plastic FGD:15 XY modules(30 layers)Water FGD:7 XY modules with 6 water layers (2.5cm/layer)

Nominal scnitillator bar:1cmx1cmx185cm

4242

Measure the momenta of all charged partMeasure the momenta of all charged particles: icles: , e, , e, ,.. ,..

Particle ID for e versus Particle ID for e versus ..

Gas amplification devise: Gas amplification devise: MicromegMicromegasas

12 modules on each TPC end plate12 modules on each TPC end plate (Module: 34cm x 36 cm)(Module: 34cm x 36 cm) 72 modules in total72 modules in total

TPC

3

1 m

4343

ECAL

Measure Measure the EM componenthe EM component (e, t (e, )) from P0D and FGD, from P0D and FGD, and veto and veto background particlbackground particleses coming outside. coming outside. Measure the EM cluster Measure the EM cluster

position and energy.position and energy. Perform Particle ID.Perform Particle ID.

scintillator barscintillator bar (4cm (width) x1cm (depth))(4cm (width) x1cm (depth))with 0.03Xwith 0.03X00 Pb Pb

Photo-sensorfiber

Barrel ECAL module

4444

A dedicated NC 0 detector.

Pb(0.6mm) + scintillator (17mm thick) + Water

P0D

4545

Muon Range detector to catch the muon going out of the TPC acceptance.

Momentum measurement by the range of muon whose momentum is not measured by TPC.

Scintillator modules are instrumented in the Fe gap (4cm)

SMRD

1 unit: 4 scntillator slab

4646

DetectorDetector TechnologyTechnology No. of channelsNo. of channels

INGRIDINGRID FeFe++Scinti+WLS+MPPC/MRScinti+WLS+MPPC/MRS-APDS-APD

9,0009,000

FGDFGD Scinti+WLS+MPPC/MRS-AScinti+WLS+MPPC/MRS-APDPD (+Water) (+Water)

8,5008,500

TPCTPC MicromegasMicromegas 124,000124,000

ECALECAL PbPb++Scinti+WLS+MPPC/MRScinti+WLS+MPPC/MRS-APDS-APD

22,00022,000

P0DP0D PbPb++Scinti+WLS+MPPC/MRScinti+WLS+MPPC/MRS-APDS-APD (+Water) (+Water)

11,00011,000

SMRDSMRD Scinti+WLS+MPPC/MRS-AScinti+WLS+MPPC/MRS-APDPD

10,00010,000

Summary of the detector technology

4747

4848