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地球の物質密度測定を使った 地球の物質密度測定を使った MSW MSW 理論のテスト 理論のテスト Shoichi Shoichi Uchinami Uchinami (Tokyo Metropolitan University) (Tokyo Metropolitan University) 第20回「宇宙ニュートリノ」研究会 2007220宇宙線研究所 with Hisakazu Minakata hep-ph/0612002 “Testing MSW theory by Determination of Earth Matter Density”

地球の物質密度測定を使った - 東京大学地球の物質密度測定を使った MSW理論のテスト Shoichi Uchinami (Tokyo Metropolitan University) 第20回「宇宙ニュートリノ」研究会

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Page 1: 地球の物質密度測定を使った - 東京大学地球の物質密度測定を使った MSW理論のテスト Shoichi Uchinami (Tokyo Metropolitan University) 第20回「宇宙ニュートリノ」研究会

地球の物質密度測定を使った地球の物質密度測定を使った

MSWMSW理論のテスト理論のテスト

ShoichiShoichi UchinamiUchinami(Tokyo Metropolitan University)(Tokyo Metropolitan University)

第20回「宇宙ニュートリノ」研究会2007年2月20日 @ 宇宙線研究所

with Hisakazu Minakatahep-ph/0612002

“Testing MSW theory by Determination of Earth Matter Density”

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ニュートリノで探る

non-standard physics

研究会テーマ

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““standard physicsstandard physics”” is is standardstandard ??

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neutrino oscillationneutrino oscillationin vacuum

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standard interaction theorystandard interaction theorye

e

νe

νe

W

charged current interaction with electron

neutrino oscillations are modified

MSW effect

electron number density

Mikheev-Smirnov-Wolfensteincharged current

in matter

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Evidence for the MSW effect

Gianluigi Fogli, Eligio Lisi

“Evidence for the MSW effect”

New J.Phys.6:139,2004.

aMSW=1 for standard

a factor of ∼2 uncertainty(at 2σ)

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Testing MSW theory

in neutrino factory

more precision

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Original MotivationOriginal Motivation

We want to determine the Earth Matter Density

in Neutrino Factory

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Tommy Ohlsson , Walter Winter“The role of matter density uncertainties in the analysis of future neutrino factory experiments”

Phys.Rev.D68:073007,2003

Effect of matter density uncertaintieson sin22θ13 on CP δ

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Effect of matter density uncertaintieson sensitivity to CP violation

P. Huber , M. Lindner , M. Rolinec , W. Winter“Optimization of a neutrino factory oscillation experiment ”

Phys.Rev.D74:073003,2006

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Determination of Earth Matter Density(highly precise)

Test of MSW theory(compare with geographic data)

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Earth Structure by GeophysicsEarth Structure by GeophysicsSeismic waves tell us about Earth

coremantle

Core-Mantle boundaryMohorovičić discontinuity

Path

Tim

e

travel-time curve

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seismic +free vibration by massive earthquake & inertia moment etc.

Density ProfileDensity Profile

isotropic PREM

accuracy 5%*

* Robert Geller , Tatsuhiko Hara“Geophysical aspects of very long baseline neutrino experiments”Nucl.Instrum.Meth.A503:187-191,2001

A. M. Dziewonski , D. L. Anderson“Preliminary reference Earth model”Phys.Earth. Planet. Inter. 25, 4, 297, (1981)

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focus on

Neutrino Factory

(very long baseline & νe→νμ channel)

NF have potential for determination of density

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νe→νμ( appearance ) in matter

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Direct test of MSW in neutrino factoryDirect test of MSW in neutrino factory

Walter Winter“Direct test of the MSW effect by the solar appearance term in beam experiments”Phys.Lett.B613:67-73,2005.

MSW effect≠0(5σ)

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neutrino factoryneutrino factory

μ+decay

e+

oscillation

several thousand kmdetect

50 GeVLarge

MagnetizedIron

Calorimeter

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tune a muon energy

μ+decay

50 GeV → 45 GeV

First Step First Step ((Which distance is better?)

2 years 2 years

(energy scan)

New Informationvariation of event number

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Energy ScanEnergy Scan

aL=π large gradient→strong response to density change

a∝ρ(matter density)

Good determination

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aL =π

special distance(Magic Baseline)

L=7500 km

(a = const×matter density)

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Magic BaselineMagic Baseline((aLaL==ππ))

vanish at aL=π

→ measure θ13 independently of CP δof course matter density!

L=7500 km

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analysisanalysis

event number scale depending on θ13

note energy spectra

at Magic BL

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analysisanalysis

low energy ⇔ high energyopposite response of density change

4.3g/cm3

4.4g/cm3

4.2g/cm3

energy [GeV]

high density → event down↓high density → event up↑

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critical energycritical energyresponse of density change

aL = π→π+ε

critical energy EC

δP > 0 (E < EC)δP < 0 (E > EC)

normal hierarchyneutrino channel

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(low E : event few & high E : event large)

→low density

→high density

neutrino

response of density change

energy [GeV]

anti-neutrino

4.3g/cm3

4.4g/cm3

4.2g/cm3

→high density

→low density(low E : event few & high E : event large)

(low E : event large & high E : event few )

(low E : event large & high E : event few )

low-high energy 2 bin analysis

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analysisanalysischi-square test

N1:event number of low energy binN2:event number of high energy binσ:systematic errorσcorr=σa=σi=2% , σai=1%

fit θ13 and ρ

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resultresult

1σ(68%) C.L. 2σ(95%) C.L.3σ(99.7%) C.L.(1 DOF)

1% ! (3 σ)a few (<5) % (1 σ)

accuracy of matter density △ρ/ρ

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Magic BaselineMagic Baseline((aLaL==ππ))

→It was independently of CP δ

L=7500 km

But…

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δδ dependencedependence

sin22θ13=10-1

sin22θ13=10-2

sin22θ13=3×10-3

sin22θ13=10-3

sin22θ13=10-4

if θ13 is small (sin22θ13<10-3),accuracy of matter density get worse depending on δ

1σ(1DOF)

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δδ dependencedependence

δ= 0 δ= 7π/6

(small θ13)

sin22θ13=10-3

oscillation probability change is small

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δδ dependencedependence

If θ13 is smallcanceled out!

↓enlarged error in Δρ/ρ

poor response to density change

response of density changeaL = π→π+ε

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summarysummary►►very precise determination of very precise determination of ρρ at Magic BLat Magic BL►►large large θθ1313 →→ 1 % (31 % (3σσ))►►small small θθ1313 →→ < 5 % < 5 % ((11σσ))

MSW theory 200 % (2MSW theory 200 % (2σσ) accuracy ) accuracy →→ 10 % ?10 % ?

in future…►Analysis with density profile►New Physics search !