Super Kamiokande 実験

平成 23 年度共同利用研究成果発表会関谷洋之

2

Super-Kamiokande Detector• 50kt 水チェレンコフ検出器

– 内水槽 32kt, FV 22.5kt• SK-IV: 2008 年 10 月より

– 20’’ PMTs x 11129 for ID– 8’’ PMTs x 1885 for OD– New electronics

• software trigger (dead time free)

42m

39.3m

3

Super-Kamiokande IV Water System

RO 膜ラジウム除去

膜脱気装置ラドン除去

60t/h

38t/h

11t/h

11t/h

4

SK

pit

熱交1

熱交3

2009 年 11 月より 0.01℃ の精度でフィードバック

純水

冷却水

坑内湧水 (10.7-11.7 )℃

対流を抑制する温度コントロール

4-4.5MeV vertex SK 温度分布

5

do

送水温度・透過率・ BG レート

送水温度

減衰長

Event rate in4 - 4.5 MeV(Kinetic)

℃

m

Cou

nts/

day/

T.FV

T2K 　 SK-IV+ としたい位安定

Current water stream GW telescope

Access for the construction

Bypa

ss li

ne w

ill b

e pr

epar

ed

7

ニュートリノ振動 na= U ni

大気ニュートリノ観測 太陽ニュートリノ観測

本年度はより良い解析手法を開発している最中。新しい結果はお待ちください

SK での検出原理

diag

Majorana term

8

大気ニュートリノ

2.2ms

En< ～ 1.3GeVne:nm=1:2

Dm2=2x10-3eV2

sin22q = 1

cosq = 1, L ～ 15 ㎞

cosq = -1, L ～ 13000 ㎞

9

ne と nm の分別

チェレンコフリングのパターンと角度の liklihood からe-like と m-like を分別

muon decay electron

間違えて判別する確率は　 <1%@1GeV

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SK-IV 　 zenith angle distribution

Oscillated MC ( SK-I+II+III best fit point )UnOscillated MC

nm →nt m-like の上向きが減ってる

11

大気ニュートリノのエネルギーとイベントトポロジー

• 各トポロジーのエネルギー分布

GeV GeV

12

SSSK

SK-I+II+III+IV Zenith angle distribution

新たに SK-IV 762.5 日分のデータ加えた結果

m-like

preliminary

e-like

+

― nm →nt を仮定したMC

13

振動解析 ( 解析中 )

• n と n の違い– decay-e や p の数などを使い、統

計的に ne と ne, nm と nm を区別して解析中

preliminary

• 2-flavor Oscillation

preliminary

• 3-flavor, L/E 解析中

preliminary

14

太陽ニュートリノ

ne

15

SK-IV 太陽方向分布

• KE = 4.5-19.5MeV, 　 SK-IV 752.3 日

preliminary

cosqsun

16

低エネルギー太陽ニュートリノの検出！• SK-III まで見えなかった KE=3.5MeV　 8B 太陽ニュートリノを確認

– 水の安定化– 低バックグラウンド化

3.5-4.0MeV

SK-IIISK-IV

4.0-4.5MeV

preliminary

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S/N 向上にむけて• 水の安定化 =Rn の局在化• 214Bi b Q=3.27MeV が BG 源

– エネルギー分解能が悪い– 実際には低エネルギーなので　クーロン多重散乱されるだろう

12.3kton

KE=3.5-4.0MeV

Ariadone Goodness

• PMT 　 Hit ペアごとにチェレンコフリングを描き交点へのベクトルをdirection candidate とする

• それらベクトル和をスカラー和で規格化

• 多重散乱イベントは A.G. 小さいはず

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SK-IV 　 556 日

3.5-4.0MeV

4.0-4.5MeV

4.5-5.0MeV

Ariadone も含めエネルギースペクトル ,day/night 解析 , 振動解析は進行中

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Solar global(SK-III まで )+Kamland

• sin2q =0.0255 → 　 sin22q =0.1

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核子崩壊

• 最新の nucleon kinematics, p interactions のデータ・モデルを取りいれて efficiency を再評価中

SKI+II+II+IV 219.7kton year で見つかっていないことは確か

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超新星背景ニュートリノ探索 • さまざまなモデル• 宇宙論的なこと (cosmic star formation history, initial mass

function, Hubble expansion, etc) は分かってきたので , 単純に以下で parameterize• ne 　 luminosity of typical supernova• Average ne energy → ne 温度 (Fermi-Dirac emission

spectrum)Flux prediction

反ニュートリノ温度による SK での rate prediction

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BG のチェレンコフ角分布

• Signal+BG を各モデルごとにfitting

• SK-I data/MC

• Dominant BG は atomospheric vevm CC だけど

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SK-I+II+III Limits

• 各モデル (Tn) に対する制限　　　　　　　

• flux に対する制限　　　　　　　

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GADZOOKS! Project• すでにかなりの統計とこれ以上の解析方法もないので

　中性子捕獲断面積の大きい Gd を SK にいれて ne を捕える

Gd

GadoliniumAntineutrino Detector ZealouslyOutperforming Old Kamiokande, Super!

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EGADS• SK に Gd いれても純水装置に取られて終わり

– 200t の SK-like タンクと新たな純化システムをつくり、透過率のよい 0.2%Gd(SO4) 水溶液を保持する

Evaluating Gadolinium’s Action on Detector Systems240 PMTs

Main water circulation system

Transparency measurementby UDEALPre-treatment

system

26

Gd water Circulation system

pre-treatment system

200 ton tankUDEAL

26

15 ton tankfor pre-treat

27

純化循環試験

200 ton water tank

Main water circulation system

15ton tank

W/O PMT

2011 年 8 月から

NF

15 ton EGADS

Test Tank

Intake Pump

(>4 ton/hr)

5 mm 1st Stage

Filter

Concentrated Gd NF Reject Lines

UV#1

Mem

bran

eD

egas

0.2 mm 2nd Stage Filter

0.5 ton Collection

Buffer Tank

RepressurizationPump

(>0.6 MPa, >4 ton/hr)

RepressurizationPump

(>0.6 MPa, >3 ton/hr)

Nanofilter #2

Nanofilter #1

Ultrafilter #1

Repressur-izationPump

(>0.9 MPa, >2 ton/hr)

TOC

5 mm Filter

0.5 ton Buffer Tank

RO #1

Ultrafilter #1

Ultr

afilt

er #

2

Repressurization Pump

(>0.9 MPa, >1.5 ton/hr)

DI#2

5 mm Filter

RO #2

RO Permeate Lines

Conveying Pump

(~0.35 MPa, >4 ton/hr)

Recycles RO Reject Lines

ChillerUF#1 Reject Line

UF#2 Reject

UV#2

99.7% of Gd

0.27%0.3%

0.03%

DI#1

To Drain

7 ℓ/min

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Selective Filtering System

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透過率の現状

• SK の 75 ％を達成 (70m)• 25 ％原因調査中

– Contamination?– 循環レート ?

• PMT つけて、本実験へ

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暗黒物質探索

• Self-annihilation により探索– Directional flux による探索

– Diffuse flux による探索 dark halo からの　　　　　　　　　　　　　を直接

n n

太陽内での散乱 (SD), 地球内での散乱 (SI) 　による減速過程があるので、散乱断面積 s-p に対する制限がでる

対消滅断面積・速度分布 <sAv> に対する制限がでる

31

太陽方向探索　 SK-I+II+III+IV

preliminary

背景探索• Diffuse signal 　 ( 大気ニュートリノ sample 使

用 )– Isotropic in zenith angle– Mono-enegetic En=M

32

M = 5.6 GeV

DM signal shapeenhanced for illustration

DATASK1,2,3

ATM MC with oscillations2 flavor best fit

M = 5.6 GeV

cosq Momentum [GeV/c]

MC+DM signal fitting →upper limit

33

銀河中心に暗黒物質多い

~r

~r2

• NFW 　 halo profile

銀河中心方向に対する角度分布でみて fit するべし

銀河中心方向にピーク

Long lived unstable dark matter

Assuming f(ne)=f(nm)=f(nt) for WIMP signal

FC

PC

UPMU

DM signal illustration

cosqGC

M

=1.3 GeV

DM signal shapeenhanced for illustration

DATASK-I+II+III

OSC ATM MC

NON-OSCATM MC

34

35

Limits (SK-I+II+III)

dfD

dE=

s A V2

JDRscrsc

2

4p m2

dNdE

JD integrated intensity over all sky related to DM halo density profile

対消滅断面積 limit

Flux limit

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Status• SK-IV 進化しながら一生懸命稼働中　

– 温度コントロールによる水質安定化• 大気ニュートリノ

– SK-IV 順調に統計蓄積 , 解析方法の改良 (anti-n)• 太陽ニュートリノ

– SK-IV で 3.5MeV 8B ニュートリノの検出 , Ariadone• 核子崩壊

– SK-IV でも未発見、 Efficiency の見直し中• 超新星背景ニュートリノ

– SK-I+II+III でのリミット– EGADS による Gd 実証実験進行中

• WIMP 探索– SK-I+II+III Diffuse 新解析によるリミット更新 査定金額　　いくらか

使用用途 物理学のため

37

おしまい

SK

Additional Heat Exchangercoming in Feb. 2012

pit

HE1

HE3

The bottom water temperature is fed back to the valve which control the cooling water flow

Ditch

New

HE