太陽ニュートリノ＋KamLANDの現状とθ13
東大ICRR池田一得
2010/2/9

もくじ• 2008年の研究会のおさらい• それ以降の新しい結果• 太陽ニュートリノ3世代解析• 太陽ν＋カムランド3世代解析• 今後の展望前回(2008年)のおさらい前回のおさらい

2008年 精密測定化宣言

スペクトルの歪み測定の重要性
Sterile neutrino

MaVaN

Miranda, Tortola and Valle, JHEP 0610:008,2006.
(hep-ph/0406280)

Non standard Interaction
Holanda and Smirnov,
Phys.Rev.D69(2004)113002.
(hep-ph/0307266)

Barger, Huber and Marfatia,
Phys.Rev.Lett.95:211802,2005(hep-ph/0502196)

GonzalezGarcia,Holanda,Zukano
vich ,Funchal, JCAP
0806:019,2008.
(hep-ph/0803.1180)

Unparticle

Friedland, Lunardini, Pena-Garay
PLB594(2004)347(hep-ph/0402266)

2008年からのアップデート
新しい実験及び解析結果• Borexino 8Bニュートリノの観測 2008年8月• SNO Phase-I,IIの再解析 2009月9月• SK-III の結果 2009年12月
θ13を考慮したグローバル解析• T Schwetz et al. 2008年• G. L. Fogli, E. Lisi 2009年• SNO group 2009年9月• SK group 2009年12月• などなど。。

今日のメインBorexininoの8Bν観測

Ｓｌｉｄｅ from A.Ianni@ PHYSUN workshop at GranSasso

Data/SSM

Borexino のつづきBorexino の今後
7Be：5%の精度を目指す(較正の改良)
CNO: 11Cのバックグランドのタグがポイント
8B: 統計をためる（5年の統計量で3σ）

Energy [MeV]SNO再解析NCレート、CC ES スペクトル

NCレートの精密測定SK-III最新結果

SK-III太陽ニュートリノ観測
SK-I(1996年～2001年実測時間1496日までの観測)と違う点• ＦＲＰ＋アクリルカバーが全ＰＭＴに取り付けられた☺
• 検出器較正の改良☺
新しい短パルスレーザーを用いた全PMTの応答時間較正システムの構築• リダクションツールの改良☺
カット条件、及び系統誤差の見積もり直し• 方向再構成方法☺
反跳電子のエネルギーを考慮した再構成方法を考案 約10％分解能が良くなる• 検出器シミュレーション☺
検出器のＺ位置によって異なる水の透過率を導入
エネルギースケールの不定性が0.64％から0.53％になる• ＦＲＰによるBG増☹
水循環システムの改良
不純物除去効率を上げる。水流の制御で検出器内部ＢＧを削減
ＰＭＴ時間較正及び新リダクションツールで削減。
4.5-5MeVで1/4、5-5.5MeVで2/3程度になる。
• 統計量が約3分の1(2006年8月から2008年8月 実測時間548日)☹
系統誤差を小さくして勝負する＝2.3%
全フラックスに対する系統誤差が2/3になるSK-III 実験結果
各リダクションステップでの事象数：低エネルギーでＢＧ削減
5-20MeV 太陽角分布：系統誤差がSK-Iの2/3

Event/day/kton/bin

4.5-5MeV 太陽角分布：~4σレベルで信号を観測。
誤差(統計) の範囲内で5-20MeVのフラックスと一致。

cosqsunノイズ
宇宙線起源事象
ミス再構成
壁からのガンマ
Final sample

振動解析結果とまとめ
SK-IIIで得られた結果とその他全ての太陽ニュートリノ観測実験の結果と合わせることで、これまでで一番精度よくパラメータを決定することができた。
スペクトルの歪みは統計的に有意ではない。
全太陽ν実験からの結果

太陽νベストフィット
太陽νベストフィット
χ2=226.8/20dof
χ = 21.2/20dof
太陽ν＋KamLAND
太陽ν＋KamLAND
ベストフィット
ベストフィットχ2=226.7/20dof
χ = 21.2/20dof
フラット分布物質効果なしχ2=227.7/20dofχ = 21.5/20dof

全太陽ν+KamLAND

4.5-5MeVのデータが加わった

Electron Total Energy [MeV]DATA/SSM2004

SK-I,II,IIIスペクトルと振動解析からの期待値

SK-I

SK-II

SK-III

誤差は統計誤差のみ
赤線は太陽ν実験のベストフィットパラメータ
Electron Total Energy [MeV]太陽ν観測の現状(+old)
65.4+4.0/-4.1 SNU

SAGE

Ga

127.9+8.1/-8.2 SNUGALLEX+GNO

69.3+/-5.5 SNU

7Be

5.07(1±0.06)x109 /cm2/s

Borexino

49±5 /day/100t

37Cl

8.46+0.87/-0.88 SNU

Homestake2.56 +/-0.23 SNU(2.80±0.38)x106 /cm2/s

Kamiokande

H2O

5.94(1±0.11)x106 /cm2/s(2.35±0.08)x106 /cm2/s

Super-KD2O

5.94(1±0.11)x106 /cm2/s(1.70±0.06)x106 /cm2/s

SNO CCSNO ES
SNO NC
Solar Model(2.14±0.15)x106 /cm2/s(5.25±0.31)x106 /cm2/s
7Be
8B

pp, pep
CNO

Experimental results太陽ν観測の現状(+old) その２（振動あり）
65.4+4.0/-4.1 SNU

SAGE

Ga

70 SNU

oscillated

GALLEX+GNO
7Be

69.3+/-5.5 SNU

48 /day/100t

oscillated

Borexino
37Cl

49±5 /day/100t

oscillated

Homestake@ solar best fit parameter
Dm2=6.3x 10-5 eV2
sin2q=0.29 (tan2q12=0.42)

2.56 +/-0.23 SNU(2.80±0.38)x106 /cm2/s

Kamiokande

H2O

2.9 SNU

oscillated

Super-K

D2O
SNO CCSNO ES
SNO NC
Oscillated prediction

2.30x106 /cm2/s(2.35±0.08)x106 /cm2/s

1.70x106 /cm2/s(1.70±0.06)x106 /cm2/s
2.30x106 /cm2/s(2.14±0.15)x106 /cm2/s

Experimental results

5.30x106 /cm2/s(5.25±0.31)x106 /cm2/s

達成度

太陽ν観測マップ
SNO(Flux)
SK(Flux)

Ga(Radiochem.)

試作機段階

Borexino

SK(Upturn)SNO(upturn)

KamLAND

Borexino
Borexino

XMASS CLEAN
LENS MOONLENS MOONXAXMUNUMUNU

HERON

pp

7Be

SK

KamLAND?
LENS
SNO+Mton

pep,CNO

8B

MtonX
Mton

hep

Energy太陽ν＋KamLAND
におけるΘ13の測定• イントロ• 方法• 測定結果• 展望

KamLAND (2008) from official site

太陽ν、KamLAND 大丈夫？

KamLAND L/E精密測定

Fogli et.al arXiv:0905.3549v2
例えば、SK-ES,SNO-CCからの8BFlux,
SNO-NCの8BFlux,
SSMの予想する8BFlux
はエラーの範囲で一致大丈夫です。
太陽ν観測もKamLANDも結果に十分自信を持っています（エラーの範囲内で）

三世代解析
U

0
1 0
0cs2323  0 sc2323  c13 0  s13eiCP0 s13e iCP 
10 0c13  c12  s12 0s12c1200
0
1 

rotation around x-axis with angle q 23

rotation around y-axis with angle q13

rotation around z-axis with angle q12

atmospheric,
accelerators
θ23~45o

CP violation can be observed
ifθ13>0solar,reactors
θ12~34osin 2 q 23  0.50 0.07
0.06

sin 2 q13  0.035, 90% CL

2
3
Dm23
 2.40 0.12
eV 2
0.11  10

 0.056, 3

2008 New J. Phys. 10 113011

sin 2 q12  0.304 00..022016
223Dm21
 7.6500..20
10 5 eV 2

Survival Probability
2 世代振動との差

θ13の効果tan2 θ12 = 0.47 Δm2 21 = 7.6 ×10−5 eV2

Δm2 23 = 2.3 ×10−3 eV2 Day Night は半分半分。
θ23=2/Pi, CP位相=0, Normal Hierarchysin2θ13= 10-5sin2θ13= 0.25

From PhD thesis of O. Simard

Δm132 の符号
tan2 θ12 = 0.47
Δm2 21 = 7.6 ×10−5 eV2

Day Night は半分半分。θ23=2/Pi, CP位相=0

From PhD thesis of O. Simardθ13の項の確認

Fogli @ Neutrino Telescopes 2009

※物質効果から真空振動へのtransitionは上の式に含まれていません。

太陽ニュートリノにおけるq13
Vacuum oscillation
dominant

Dm212=7.6x 10-5 eV2
sin2q12=0.31 (tan2q12=0.45)

Materr oscillation
dominant

Pee ~ (1-2sin2q13)(1-(1/2)sin22q12)

sin2q13=0.0
sin2q13=0.04
sin2q13=0.08

sin2q13

Pee ~ (1-2sin2q13)(sin2q12)

sin2q12太陽ν観測とKamLAND観測の関係•

Balantekin & Yilmaz [arXiv:0804.3345, J.Phys. G 35, 075007 (2008)]

θ13 の効果
赤；太陽νRadiochemical
SNO-I,II,IIISK ES
青：KamLAND
2008
θ13>0の場合
Solar が予想するθ12とKamLANDの予想するθ12とが近くなる。

Fogli et.al arXiv:0905.3549v2

Global解析• SK-I,II,III Spectrum and time variation (2006,2007,2009)• SNO : CC flux(2002+2005)
NC flux(2007+2009),
Day/Night asymmetry(2002)• Radiochemical : Cl, Ga– New Ga rate: 66.1 +- 3.1 SNU (All Ga global) From
Phys.Rev.C80:015807,2009.
• Borexino– 7Be rate: 48 +/- 4 cpd/100tons
PRL 101: 091302, 2008

• KamLAND 3rd results PRL 100, 221803(2008) (1600 day )• 実際に動かす振動パラメータ– θ12、θ13、Δm12(θ12 Δm12:LMA, sin2θ13 =0-0.1)• Δm23=2.4×10-3eV2• θ23=2/Pi, CP位相=0, Normal Hierarchy

による制限Dm221 & q12

q13 & q12
sin2q13log(Dm221)

SK+SNOlog(Dm221)= -4.22

sin2q13 = 0.005log10(tan2q12)

68.3%
95%99.73%(2d.o.f.)

Dm221 & q12log(Dm221)= -4.22

sin2q13= 0.01

q13 & q12
sin2q13log(Dm221)

SK+SNO+Radiochemical+Borexino
68.3%
95%99.73%(2d.o.f.)

Other parameters arechosen to minimize Dc2log(Dm221)= -4.22log10(tan2q12)

2q22
他のパラメータは各sin
Dc (sin q13)分布 でそれぞれ最小化している13Dc2：太陽νGlobal解析

sin θ13  0.010
2CHOOZ reactor experimentsin 2 θ13  0.035, 90% C.L.
 0.056, 3

sin2q13太陽ν＋KamLAND
SNOグループの解析(2009)との比較
q13 & q12

Dm221

sin2q13

Other parameters are2q12 & Dm 21 chosen to minimize Dc2

68%
95%99.73%(2d.o.f.)

SNO(2009)

SNO(2009)

tan2q得られた結果
SNOの解析

SK: SK-I zenith spectra, SK-II day/night spactra
SNO: SNO-III, LETA

1.2σ

SKの解析
＜6.1 (95% C.L.)

SK: SK-I ,II,III spectrum and time variation
SNO: SNO-III+LETA (only NC rate) , SNO-I,II (only CCrate)

FogliやSchwetzの解析とconsistentな結果がえられた。

1.2σ～1.5σ の有意性でθ13＞0まとめ• 太陽νとKamLANDの精密測定によりそれらの実験によるθ13観測が可能になった。
• 太陽ν＋KamLANDによるθ13の現状は
1.2σ～1.5σ の有意性でθ13＞0• 今後KamLAND とＳＫのupdateで感度向上