長基線ニュートリノ
長基線ニュートリノ振動実験
ニュートリノ振動実験OPERAによる
タウニュートリノ出現
タウニュートリノ出現の
出現の実証
福田 努
名古屋大学 高等研究院

京都大学セミナー, 14th Jun.2017 ＠京都大学

2

Outline• Nuclear Emulsion• The OPERA experiment• New Emulsion Experiment2

3

Nuclear Emulsion
原子核乾板

3

原子核乾板素粒子など
素粒子など荷電粒子など荷電粒子に荷電粒子に感度がある特殊がある特殊な特殊な“写真フィルム
写真フィルム”
フィルム”

飛跡

100μ
μm = 0.1mm
サブミクロンの精度を持つ超精密３次元飛跡検出器

4

Photographic Film technology

5• Nuclear Emulsion is a special photographic film.
• Signal is amplified by chemical process.
Microscopic image

Recorded as silver grains
along the particle passing through line.

50 μm
Intrinsic resolution of 0.3 μm

Film camera

Merit

Image detectionHigh
resolution

ハロゲン化銀（Sliver halide）
光のエネルギーが起こす化学変化を利用した光化学反応。

Digital camera Real time 電荷結合素子（Charged-Coupled Device）

光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換。

56Photographic Film technology• Nuclear Emulsion is a special photographic film.
• Signal is amplified by chemical process. AgBr crystal
Microscopic image

before development

Recorded as silver grains
along the particle passing through line.

50 μm

200nm

断面図

Intrinsic resolution of 0.3 μm

Film camera

Merit

Image detectionHigh
resolution

ハロゲン化銀（Sliver halide）
光のエネルギーが起こす化学変化を利用した光化学反応。

Digital camera Real time 電荷結合素子（Charged-Coupled Device）

光のエネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換。

6

7Largest Digital Camera
ATLAS detector(~1.6 x 108 image sensors)

human

Largest Film Camera
OPERA detector(~1020 AgBr crystals)
9000,000 emulsion films
human
7

8

Contribution for fundamental physics…
1947
1896 (A. H. Becquerel )Discovery of Radioactivity

μ1947 (C. F. Powell et al.)Discovery of π1971 (K.Niu et al.)Discovery of charm particle
in cosmic-ray
2001 (K.Niwa et al.)Direct observation of ντ

1896
μ
π

π
1971

Flight Length：280um

ντ

decay

τ

decay

2001

1mm
Iron

DONUT ντ event

8

9

OPERA Experiment9T. Fukuda, Kyoto U. Seminar

10

OPERA collaboration
11 countries, 26 institutions, 140 physicists

INR-RAS Moscow
LPI-RAS Moscow
SINP MSU Moscow
JINR Dubna

Bari
Bologna
LNF
LNGS
Napoli
PadovaRoma
Salerno

Aichi
Toho
Kobe
NagoyaNihon

LAPP Annecy
IPHC Strasbourg

Technion Haifa LHEP Bern IHE Brussels

Hamburg

IRB Zagreb

METU Ankara

Jinjiu11

Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus• Main goal of OPERA
Verify the νμ→ντ oscillation at the atmosphericscale in appearance mode (S/N ~ 10).

12Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus• Main goal of OPERA
Verify the νμ→ντ oscillation at the atmosphericscale in appearance mode (S/N ~ 10).

OPERA Start !!

13

Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus
Requirements： 1) Long baseline
CNGS beamline
2) High neutrino energy3) Large target mass
4) High spatial resolution (τ detection capability)
conventional ν beam
< Eν > ( GeV )(νe + νe) / νµ
νµ / νµντ prompt

170.87 %*
2.1 %*
Negligible** Interaction rate at LNGS
(22.5x1019 pot/5years/1.25kton)~23600 νµ CC + NC
~160 νe + νe CC~115 ντ CC (∆m2 = 2.5 x 10-3 eV2)
~10 ντCC identified (BG<1)14

Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus
Requirements： 1) Long baseline
2) High neutrino energy3) Large target mass
4) High spatial resolution (τ detection capability)
Long history of neutrino study with nuclear emulsion- 1978-1983 Fermilab E531

~100kgcharm physics, νμ→ντ oscillation- 1990-2000 CERN WA95 CHORUS ~1tonνμ→ντ oscillation, charm physics- 1994-2001 Fermilab E872 DONUT ~1ton

Kam.

First ντ detection- 2008- CERN CNGS01 OPERA ~1250ton
νμ→ντ oscillationSKντ detection

15
oscillation

Search for τ decay topology on an event by event basis.
Signalno oscillation

plus 3-prong decay modesντ event by DONUT

τ

Emulsion Cloud Chamber
emulsion film

1mm Iron plate

Direct observation of ντ
using emulsion technology
Phys. Lett.
Lett. B 504 (2001) 218

16

The OPERA roadmap
1

8
99

2
Ap p

0
00

l
a
v
ro
o
d
En

2

ng
e
l
vi
i
c
f

2
0
0

0
20

g
n
i
r
e
ine

4

2

iss
m
Co m

6
0
0

0
20

ng
i
n
io

8

0
20

9

CNGS RUNet.
d
ic testno
ctr CSd
e
s
l
k
E nd
c
i
ks
a
br
c
i
0
r
b
00
,
0
0
0
6
,0
0
5
1

CERN

L=732km

Gram Sasso

1
20

0

2

1
1
0

1
20

2

1
20

3

2

4
1
0

1
0
2

5

CNGS RUN
st ν τ

1

h
→
τ

nd ν

2

τ

τ→

3h

τ
rd ν

3

μ
→
τ

th ν

4

τ

h
→
τ

th ν

5

τ

h
→
τ

ν

~3

o

17

The OPERA detector
electronics racks

Super Module 2

BOREXINO

Super Module 1
Veto
Muon
Spectrometer
Target150k bricks
31 scintill.
scintill. planes

RPC

Drift
tubes

3050 m2
3050 m

10 m

9,000,000 FILMS!!

Brick
Manipulator
System20 m

Hybrid apparatus:
Emulsions + electronic detectors

OPERA emulsion film

Lead plate

18

RefreshOPERA films are produced in FUJI Co. for several years.
before Refresh
Films from FUJI Co.

Refresh chamber
after Refresh~150μm

30℃,98%Noise tracks are deleted
by fading effect.

19

RefreshNo refresh

No refreshed
８ＧｅＶ電子ＧｅＶ電子

5X0

Electron energy measurement is possibleby shower counting method.

20

Refresh Facility
Tono mine.

Cosmic ray shield
第1計測坑道 rate:1/50(115m.w.e.)
第2計測坑道 rate:1/400(220m.w.e.)
Good access from Nagoya(~1 hour by car)

第1計測
坑道

45m
第2計測
坑道

東濃鉱山
Gifu

Tokyo
Osaka

96m

Facility construction(2003, Aug.-Nov.)me（学部4年生）
R&D for working routine (2003, Dec.)

21

Facility construction(2003, Aug.-Nov.)
Refresh facility 完成！
完成！

me（学部4年生）
R&D for working routine (2003, Dec.)

22

Working by part-time shifter@First Refresh room, 96m from grand(2004, Apl.)

23

24

Refresh movie

25

大量リフレッシュを始めてみると…
• 感度劣化が起こっている…!!
原因を追求したところ、加湿時に原子核乾板自体からガスが放出され、自家中毒によって感度が落ちていることが判明。
容積の異なる袋にフィルムを入れて加速試験

プレ加湿
プレ加湿

プレ加湿時は排気。
その後、循環系に。

26

Refreshed film quality check
Temperature, humidity check

Grain Density
Fog Density(100μmあたりの銀粒子数) （103μm3あたりの銀粒子数）

Sensitivity check

Noise density check
F.D. 5

G.D.30
SafetySafety27

2004.Jan.13 Refresh start.
2005.Mar.17 First shipment
2007.Apl. 25 Final shipment（Total 3322 boxes）

Thermometer
Accelerometer2005.3.17

28

2004.Jan.13 Refresh start.
2005.Mar.17 First shipment
2007.Apl. 25 Final shipment（Total 3322 boxes）

Thermometer
Acceleration (G)Accelerometer
In Ship (5/29-6/27)

In JAPAN(5/27-29)

In Italy(6/27-6/29)

Italian driver ?

2005.3.17
Time (hour)Filmの輸送 (東濃鉱山 2 GranSasso)
Film のみ(輸送中のみ 輸送中)輸送中

29

ECC (ν照射中)

Pb

宇宙線

ν
2種類のアライメントが記録される
Refresh処理後輸送中に入射した宇宙線の排除 (Virtual Refresh)

Gran Sasso

30

31

Gran Sasso

大家さん
大家さん

32

Gran Sasso
ν

OPERA

高速道路

33

ECC Production @GS
Mechanical hand

Lead plate

OPERA film

34

OPERA film

CS Production

Expert Shifter from JAPAN

f
Re

h
s
e
r

@

！
S
G

CS facility

35

Brick install

36

ECC 150,000 Bricks, 1.25kton target

The OPERA Detector @ Gran Sasso, Italy (1400m underground)

300年
年に一回の
一回の地震に地震に遭遇 ラクイラ地震
ラクイラ地震

37

2009年
年4月
月6日
日（死亡：
名以上）
死亡：300名以上
名以上）

激震地：パガニカ
グランサッソーからの距離は約６ｋｍ

38でも実験を止めずにすんだ• 幸い検出器に被害なし。実験続行可能。
• 住居に重大被害。立入禁止で住む所を失う!
→アセルジ村のサラさんの好意で無傷の建物に間借り。
• 食料→ ロシアの共同研究者の車で買出し
最悪時：赤十字のキャンプにお世話。
現地：イタリア アセルジ村の皆さんに大変お世話になりました。大変感謝しています。

The OPERA Detector
Emulsion +Target Tracker

Muon
spectrometer

Emulsion +Target Tracker

Muon
spectrometer

ν

~20m
TT

10cm

ECC: ~150,000 bricks (1.25 kton)

2.6cm

12.5cmNIM A556 (2006) 80

39

The OPERA detector

40

Find the brick containing the neutrino interaction using TT hits

Only CS is analyzed
at first.

νμ CC like eventνμ NC like event

The OPERA detector

41

Find the brick containing the neutrino interaction using TT hits

Only CS is analyzed
at first.
検出器から取り出したECC

νμ CC like eventνμ NC like event

42

Commissioning-2006
First observation of a track from CERN in emulsion.
Confirmation of analysis stream from electronic detector
to emulsion detector.
4m

ν

80µm

Track in CS
CERN

Track is found !
（9/7 19:23）

D1
初めて飛跡
めて飛跡を
えた瞬間
飛跡を捉えた瞬間’06 9/7

43

Plate Changer system の開発
film をSheet に貼り付け、自動で自動で slide させ、させ、
film の edge にあるX線にある 線マークを
マークを読みとる
film 交換の交換の時間短縮を
時間短縮を達成( 5分
分 → 10秒
秒)

Reference Point

全長 7m
追い上げトラックX線マーク

Commissioning-2007

44

First observation of neutrino events in emulsion.
2007年10月3日

10/3 0:04

Analysis stream was completed !!

45

Analysis station was moved to Tono mine. from Nagoya Univ. because of
Anti-earthquake reinforcement.
Tono mine again…
(2008-2010)

OTERA

Opera Team Economical tRaditional Apartment

We boarded at Japanese temple near Tono.

Real exposure was started from 2008！

46

OPERA実験をやり実験をやり切をやり切るために必要
るために必要なこと
必要なこと
 大質量の原子核乾板検出器をどうやって作るか。

→ OPERAフィルムの開発（富士フイルム）
鉛ECCの採用、東濃鉱山での大量Refresh…

O.K.
 大量の原子核乾板のデータをどうやって解析し切るか？

47

Neutrino event analysis• Experimental requirements

Challenge in OPERA
Large amount of
emulsion analysis
Brick tagging and Scan back location

Technical breakthroughHigh speed scanningx 20-75

48

Precision alignment (Compton alignment)

S/N x 10100keV
electron

Japanese Scanning System

With noise tracks connectedboth side of emulsion layer

Alignment accuracy:
σ=7.6μm σ=2.0μm
Reduce chance coincidence
noisesNIM A575 (2007) 466

Scanning speed : 75cm2/h
JINST 5:P04011, (2010)

European Scanning System

High S/N discrimination (Track Ranking)S/N x 100

Likelihood analysis with the linearityand blackness of each tracks
SignalNoise

Scanning speed : 20cm2/h
NIM A551 (2005) 261

JINST 5:P04009, (2010)

Signal 98%, Noise 1%

49

原子核乾板における自動飛跡認識

16層断層画像取得

平滑化

二値化

拡大化

PHカット

重ね合わせ

乳剤層を貫く直線飛跡を検出する。

Event analysis – Location：CS –1. Full area CS scan and check tracks to confirm the brick

50

High speed scanning system

Japanese Scanning System

Sub-MeV electrons

Scanning speed : 75cm2/h

Result

108 tracks
Pick out of High probability CS
and CS Scanning

103 trks

51

OPERAでの原子核乾板解析
での原子核乾板解析
ν
・・・

20m

ECC

CS TT

TTでニュートリノ反応のあるECCを推定し、CSで飛跡を捉え、解析スタート。
CS解析要求値：
1CSあたり平均400本の肉眼観察×15CS/日→約6,000本/日→肉眼観察200時間/日
OPERA 5年のRUNで、200時間/日×5年＝360,000時間

5人が1日2時間の肉眼観察シフトを行うと、10時間/日→10×360日＝3600時間/年
360000/3600=100→OPERAのCS解析に100年かかる

現実的な時間内でOPERAの解析を遂行するために大量の肉眼観察を削減する必要がある。
従来の従来の自動飛跡認識処理の
自動飛跡認識処理の『高速化』
高速化』という技術開発という技術開発とは技術開発とは質的とは質的に質的に異なるアプローチ
なるアプローチがアプローチが不可欠

自動飛跡認識アルゴリズムの高精度化

52

肉眼観察を削減するために、
原子核乾板における自動飛跡認識アルゴリズムの「「高精度化」（高S/N化）
1. 飛跡の飛跡の直線性に
直線性に着目シグナルは、
ガウス分布

S

ノイズは、
フラット分布N
2. 飛跡の飛跡の濃さに着目
さに着目

シグナル
S

N

自動読取り装置で認識したTrackを構成するpixel数

ノイズ高精度認識アルゴリズムの定式化

53

直線性：12パラメータ
MicroTrack-BaseＴrackの角度差

x

1層目

x

濃さ情報：4パラメータ

シグナルらしさ

2層目

yy

ノイズらしさ

x

3層目

1層目

x

4層目

2層目

4

= ∏i =1 PVPH i

8シグナルらしさL

ノイズらしさLnoise = ∏i =1 PVPH inoise (θ )signaly
BaseＴrack間の位置差

x

4層目

signal(θ ) *y

BaseＴrack間の角度差

x

3層目

y

y

∏i =1 PdAmicroi

signal2(θ , ph ) *∏i =1 PdAbasei

signal2(θ ) *

signalP
dX
base∏i =1 i (θ )4Lsignal
最小電離粒子らしさ Track Ranking Score ( R ) = log noiseL

シグナル：
シグナル： 8.7
ノイズ：
ノイズ： ‐8.5

Track Ranking法の性能評価

54

加速器のビームをシグナルサンプル、CSのノイズデータをノイズサンプルとして、
Track Ranking 法 を適用し、両者のとる値を比較した。

•

T. Fukuda et al., 2010 JINST 5 P04009

結果
肉眼観察不要要・肉眼観察肉眼観察不要● R>13 は、自動的にシグナルの飛跡であると判定できる。
● 検出効率 ： 読み取られたシグナル飛跡のうち、(34＋64)＝98%を保持。
● 肉眼観察量： 自動飛跡読み取り装置から読み取られる飛跡データの99%以上はノイズなので、肉眼観察量は、従来の1/100 に抑え込める。

Event analysis – Location：CS –55

Track Ranking 適用前

Track Ranking 適用後読み取られたTrack数：1260本

Track Ranking法で選別したTrack数
Track Ranking法で選別したTrack数
要・肉眼観察：10、肉眼観察不要：14
肉眼観察不要：14

No カット

肉眼観察本数：1260本

カット

肉眼観察本数：10本

カット

一点に収束するシグナルTrackがある
肉眼観察不要肉眼観察時間：42時間

肉眼観察時間：20分

肉眼観察時間：0秒

Event analysis – Location：CS –Track Ranking 適用前

Track Ranking 適用後

肉眼観察後

Track Ranking法で選別したTrack数
要・肉眼観察：3、肉眼観察不要：0

肉眼観察で確認したTrack数
シグナル：1、 ノイズ：2

56

Scan Area

読み取られたTrack数：194本

No カットカット

カット

肉眼観察本数：194本

肉眼観察本数：3本シグナルが1本見つかった

肉眼観察時間：6.5時間

肉眼観察時間：6分

ニュートリノ反応探索スタート

57

OPERA実験をやり実験をやり切をやり切るために必要
るために必要なこと
必要なこと
 大質量の原子核乾板検出器をどうやって作るか。

→ OPERAフィルムの開発（富士フイルム）
鉛ECCの採用、東濃鉱山での大量Refresh…

O.K.

 大量の原子核乾板の飛跡をどうやって読み出すか。

→ 高速自動飛跡読み取り装置SUTSの開発

O.K.
 膨大なトラックデータをいかに解析し切るか。

→ 高精度自動飛跡認識アルゴリズムの開発（Compton Alignment法, Track Ranking法） O.K.

Event analysis – Location：ECC –Scan Back Location
Lead plate OPERA film

Event analysis
 JP : EU = 50 : 50

TTCS

2. Connect tracks found at CS to
ECC brick.
3. Follow up tracks to Interaction
vertex in the ECC brick.
4. Scan 10 films around interaction
vertex.

58

Event analysis – Vertex hunting –Scan 1cm×1cm around vertex

Pick up track chains

20m  100μm
CS playsessential role !

Search vertex topology

59

Neutrino event analysis• Decay topology searchCharm events as a control sample

Search track which have large IP

Impact Parameter distributiona charm eventντ events (MC)NC+CC νµ events (MC)NC+CC νµ events (Data)
10 µm ↔ (cτ = 87µm)

Eur.Phys.J. C74 (2014) 2986

60

61

Data taking
17.97 x 1019 POT~80 % of proposal

Analysis status
2012

in target
extracted

2011

2010

Location efficiency

scannedlocatedJHEP 11 (2013) 036

2009
2008

0μ-like and 1μ-like samples
Data-Monte Carlo comparison of thelocation efficiency as a function of thevisible energy in the target scintillators

Status~19600 event registered~7000 events located~6700 events fully analyzedντ analysis

62

Kinematical selection

Cuts fixed since the beginning of the experimentpmissT: vectorial sum of the transverse momentaof primaries (except the parent) and daughters
wrt beam direction
p2ryT: transverse momentum of the daughter wrt
parent direction

Data sample : The 1st and 2nd most probable bricks for all runsντ candidate events
τ →ρ →1h1π0

1st

2nd

τ→3h

2012

2010
Phys. Lett. B 691 (2010) 138.

τ－→μ－

JHEP 11 (2013) 036.

3rd

4th

τ→1h

2013
Phys. Rev. D89 (2014) 051102.

63

2014
PTEP 2014.101C01.

The first ντ “appearance” candidate
Event Kinematics

First detection of νμ→ντ oscillationin appearance mode
Reported in May 2010

Decay channel: τ → 1h
Phys. Lett.
Lett. B 691 (2010) 138

64

The 2nd ντ candidate

2000 µm

All tracks other than τ were identified
as hadrons.
Decay in plastic base.
Reported in June 2012

Decay channel: τ → 3h
JHEP 11 (2013) 036

Event Kinematics

65

The 3rd ντ candidate

Decay daughter was identified as a muon
because of its high penetrability.
Reported in March 2013

Decay channel: τ → μPhys. Rev. D 89 (2014) 051102 (R)First leptonic decay

66

67

The 4th ντ candidate

a.u.

lead

lead

emulsion

lead

emulsion150

MC ν τCC τ→1h

emulsion

Candidate event

a.u.

a.u.

Event Kinematics
100

100
Excluded

Reported in March 2014100

Decay channel: τ → 1h

50

50
50

150

a.u.

a.u.

Prog.
Prog. Theor.
Theor. Exp. Phys. (2014) 101C01

00

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Kink angle (rad)

1000

2000

0
0
10
20
30
40
Daughter momentum (GeV/c)3000 4000
zdec (µm)

100

a.u.

0
0

150

80
100

100

60
40

50

50

20
0
0

0.5

1
1.5
Decay Pt (GeV/c)

0
0

0.5
1
1.5
2
2.5
Missing Pt at 1ry (GeV/c)

0
0

50

100
150
∆φ (degree)The 5thνντ event

68

Flight length
960±30 μm

Electronic detectors  No muon

identified as a proton by dE/dx analysis

Kinematical variables

τ→1hPhys. Rev. Lett. 115, 121802 (2015).

2015

All variables passed the cuts

Background sources

69

Monte Carlo simulation benchmarked on control samples.
In yellow improvements wrt former analyses
CC with charm production(all channels)
If primary lepton is not
identified and the daughter
charge is not (or incorrectly)
measured

MC tuned on CHORUS data (cross section
and fragmentation functions), validatedwith measured OPERA charm events.
Reduced by ''track follow down'',procedure and large angle scanning[Eur.Phys.J. C74 (2014) 2986]

FLUKA + pion test beam data
Reduced by large angle scanning andnuclear fragment search[PTEP 2014, 093C01 (2014)]

Measurements in the literature (Leadform factor), simulations and dedicatedtest-beams[IEEE Transactions on Nuclear Science, vol.62 5]

70

Validation with the CNGS
charm events sample
Test for: reconstruction efficiencies, description ofkinematical variables, charm background.

54 ± 4 expected ↔ 50 observed

Eur.Phys.J. C74 (2014) 8, 2986

I.P. (mm)Validation of the hadronic background by test beams

71

Comparison of large data sample (π- beam test at CERN) with Fluka simulation
check the agreement and estimate the systematic uncertainty
Interaction rate

Hadron beam

Track length analysedin the brick:
2 GeV/c : 8.5 m
4 GeV/c : 12.6 m
10 GeV/c : 38.5 m
Multiplicity
Analysis onan event-by-event basis
Hadron beam

Black : data
Red : simulation (FLUKA)

Topological analysis of hadron interactions in an ECC brick
2GeV/c4GeV/c10GeV/cError bars : Data
Histogram : MC

Kink angle (1-prong)

71

72

Hadronic background reduction

Nuclear fragments:
a smoking gun for the occurrence ofan π interaction instead of a decay.

150 μm73

Hadronic background reduction
飛跡認識部にGraphics
Processing Unit (GPU)を導入。

Nuclear fragments:
a smoking gun for the occurrence ofan π interaction instead of a decay.

|tanθ|<0.6
100 msec/view|tanθ|<3.0
550 msec/view

150 μm74

Hadronic background reduction
Large angle scanning technique

Nuclear fragments:
a smoking gun for the occurrence ofan π interaction instead of a decay.

JINST 8:P01023, (2013), JINST 9:P12017, (2014)

Additional background reduction
Probability of associatednuclear fragments

Black : experimental data
Red : simulated data (β= p/E = 0.7)

150 μmPTEP 2014, 093C01 (2014)

Nuclear fragments in 1 and 3 prong interactions
2GeV/cMultiplicity
10 GeV/c

4GeV/cBackward

10GeV/cMC：β<0.7

10 in 32 events (31 +9-7 %)Emission angle (cosθ)75

18 in 31 events (58 +8 -9 %)Error bars : Experimental data
Histogram : Simulated data

ForwardBackward

42 in 66 events (64 +5 -6 %)2, 4 GeV/c : IP < 100 + 0.01dz
10 GeV/c : IP < 50 + 0.01dz

ForwardBackward

Agreement with statistical error : Systematic error is 10%.

ForwardNuclear fragments in 1 and 3 prong interactions
2GeV/cMultiplicity
10 GeV/c

4GeV/cBackward

10GeV/cMC：β<0.7

10 in 32 events (31 +9-7 %)Emission angle (cosθ)76

18 in 31 events (58 +8 -9 %)Error bars : Experimental data
Histogram : Simulated data

ForwardBackward

42 in 66 events (64 +5 -6 %)2, 4 GeV/c : IP < 100 + 0.01dz
10 GeV/c : IP < 50 + 0.01dz

ForwardBackward

Agreement with statistical error : Systematic error is 10%.

Forwardντ analysis result

77

Expected signal and background events for the analyzed data sample

5 observed events with 0.25 background the scalar sum of the momenta of all
Probability to be explained by background: particles measured in ECC
1.1x10-7 (Fisher, Profile likelihood)consistent with theCorresponding to 5.1 σ exclusion
expected distributionof the background-only hypothesis
Discovery of ντ appearance
Estimation of Δm223 (90% C.L.)[2.0, 5.0] x 10-3 eV2 (assuming full mixing)

78

Δm2の精度向上に向けて• 選別条件を緩めたセレクションを加えることでντの統計数を増やす。
GoldenSelection

Silver
Selection

79（Golden+Silver））のsingle,background

BKG: 0.252.0, 主にハドロン２次反応が増大。

80

ハドロン反応の精密測定• 2,3,4,5,6 GeV/c のπ-beamをECCに照射
Multiplicity

Kink angle (折折れ曲がり角度
がり角度)
角度

MomentumPt

 シミュレーションとのシミュレーションとの一致度との一致度（一致度（シルバーセレクション）：
シルバーセレクション）：20％）： ％Silver selection で検出された
検出された候補
された候補

81

82

Charm 粒子付き
粒子付きタウニュートリノ反応
タウニュートリノ反応

83

2Δm の測定• 測定値：10-2.0=8.0 のντ• Nτ＝Nμ x P(Δm2, sin2(2θ)) x στ x ε, (最大混合を仮定)
Δm223を算出（）
算出（ντ反応断面積は反応断面積はSM）

Preliminaryντ反応断面積を）
反応断面積を算出（
算出（ Δm223はPDG）

84

電子ニュートリノへの振動の探索• μ付きでない全データ1185反応を解析• 34νeCC反応を検出  ビーム中の初期混入とコンシステント

Prelimin
ary

85

1998
2015

done

86

Conclusions• 1.8 x 1020 pot by CNGS from 2008 to 2012 (80% of design).
• Analysis technique largely improved and detector successfullymeasuring νe, νμ and ντ.
• Analysis of extended data sample. Improved backgroundevaluation.
• 5 ντ candidate events found with 0.25 background.
• Background-only hypothesis excluded at 5.1 σ.
 Discovery of ντ appearance in the CNGS beam
• Measurement of Δm223 = [2.0-5.0] x 10-3 eV2.
• Additionally, 3ντ events were found with new selection.
• Measurement of Δm223 = 2.8±0.6 x 10-3 eV2.

87

New Emulsion Experiment

87

88

素粒子実験
応用研究
原子核乳剤製造

AgNO3 AgNO
3

KBr/NaBr KBr/NaBr

AgBr crystals[AgNO3 + KBr → AgBr + NO3- + K+ ]原子核乾板
自動読み取り装置

9000cm2/h
2000 m2/yearGRAINE計画

89

Gamma-Ray Astro-Imager with Nuclear Emulsion

気球搭載型エマルションガンマ
気球搭載型エマルションガンマ線
エマルションガンマ線望遠鏡
コンバーターγ

気球による長時間フライトを繰り返す

Emulsionフィルム

タイムスタンパー
多段シフターe-e+

カロリーメーター

10m2, ~2t

Emulsionフィルム+金属板

姿勢モニター
姿勢モニター
スターカメラ* 10m2×εtrans×εconv×εdet

Fermi LAT
角度分解能 @
100MeV
角度分解能 @ 1GeV
偏光に対する感度
有効面積 @
100MeV
有効面積 @ 1GeVGRAINE

6.0 度

6倍
倍

1.0 度

0.90 度

9倍
倍

0.1 度
Yes

世界初偏光有感8倍倍

2.1m2 *

世界最大口径3倍倍2.8m2 *－
0.25m20.88m2

世界最高角度分解能

Dark matter wind
( from Cygnus ）Directional dark matter search with scalability⇒ super-high resolution nuclear emulsion

NEWS: Nuclear Emulsion for
WIMPs Search

Nano Imaging
TrackerTra

ck
ing Nano scale

track
detection !!

cygnusCapability of detecting
nano scale particle
tracks

WIMP

Proposal submitted to Gran
Sasso lab., Italy

90

91

宇宙線ラジオグラフィ
宇宙線ミューオンの高い透過性を用いた“大型構造物の内部イメージング”

プラント

・原子炉
・溶鉱炉
・ピラミッド
・古墳
・地下遺跡
考古学

昭和新山（2007）

地球科学

・火山
・断層
・氷河
・地下資源
・地下空洞調査
・ダムの老朽化調査
・鉄筋コンクリート

対象

インフラ点検ντPhysics
SHiP Project

DsTau Project92

NINJA 実験

93
Neutrino Interaction research with
Nuclear emulsion and J-PARC Accelerator

OPERA

T2K

MEC
MEC

NINJA
T2K

原子核乾板は、MEC反応を測定する極
極めて有効
めて有効な
有効な手段

ニュートリノ反応の精密測定

NINJA Experiment94
E531 special event

・将来のニュートリノセクターにおけるCP対称性の破れの検証を目指し、
ニュートリノ－原子核反応断面積の超精密測定を行う。
・20年近く正体がわかっていないステライル（不活性）ニュートリノ存在の検証を行う。
・チャームペンタクォークやチャーム原子核といったエキゾチックな粒子の探索・測定を行う。

u d
u d Θ0cc
MiniBooNE
νeexcess

INGRID始まったばかりの実験なので、参加者募集中！！

Thank you for your kind attention !

96Supplements