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特定領域「フレーバー物理の新展開」研究会

T2K長基線ニュートリノ振動実験におけるINGRID検出器を用いたニュートリノイベントの探索
大阪市立大学尾崎 称
1. ニュートリノ振動とT2K実験の概要
2. INGRID検出器の概要
3. 検出器の性能評価
4. ビームデータ
5. まとめニュートリノ振動
2あるニュートリノが空間を伝搬中、異なる種類のニュートリノに振動する現象。
３種類のニュートリノは、質量の固有状態の混合状態になっている。

振動確率（２成分の場合）

L:飛行距離E:エネルギー
θ:混合角既知の振動パラメータ

太陽ニュートリノ、カムランド実験から
Δm212= 8×10-5eV2, sin22θ12=0.86Δm2:質量自乗差

大気、加速器実験から
Δm223= 2.1〜2.7×10-3eV2, sin22θ23>0.92
原子炉実験から
sin22θ13<0.14

θ12：νeとνμの混合角θ23：νμとντの混合角
θ13：νeとντの混合角

T2K(Tokai to Kamioka)長基線ニュートリノ振動実験

主な目的
未発見の振動モード（νe appearance）の発見、ならびにsin22θ13の測定νμ disappearance による sin22θ23, Δm223 の精密測定
特徴
30GeV陽子シンクロトロンを用いた大強度ニュートリノビーム

5万トンの大型水チェレンコフ光検出装置スーパーカミオカンデ
off-axisビーム

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T2K実験セットアップ

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off-axisビームの利用
ビーム中心をスーパーカミオカンデより2.5°ずらすことでモノクロビームを作り、振動確率が最大になるようにニュートリノビームエネルギーを合わせる手法

ニュートリノビームモニター：INGRID（Interactive Neutrino GRID）








各モジュールのニュートリノ数分布からビーム方向とニュートリノの量を監視する。
荷電カレント準弾性散乱（CCQE反応）：νμ + n → μ- + pを利用して生成されるミューオンの飛跡を観測する。
トラッキングプレーン11枚＋VETOプレーン3〜4枚＋鉄9枚で1モジュールとする。
（1モジュール＝約8トン）
INGRIDはトラッキングプレーンと鉄標的のサンドウィッチ構造になっている。
横型モジュール、縦型モジュール各7個、第1,第2象限に各1個（未インストール）

10m

5トラッキングプレーンの内部構造

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互いに垂直な2層のシンチレーター層
各24ch、計48ch
INGRID全体では、
16モジュール×11プレーン×48ch＝8448ch
120cm

シンチレーター：発光
波長変換ファイバー：波長の最適化
MPPC(Multi Pixel Photon Counter)：増幅（GOMIコネクタ、PCB基盤）トラッキングプレーンの製作
2008年8〜12月にかけてトラッキングプレーン全176枚の製作作業が行われた。
以下、製作のおおまかな流れ

フレームの組み立て

シンチレーター２層目

接着剤の混合硬化

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シンチレーター１層目

ファイバーの挿入 ＆ケーブリング

宇宙線光量試験

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トラッキングプレーンを４枚に重ね、４時間分の宇宙線データを取得
光量の低いチャンネル、信号の見えないチャンネルの交換
検出効率の測定

宇宙線イベントディスプレイ
右図のセルの色は光量に対応。
0〜5p.e.：white
over 50p.e.：red
6〜49p.e.：Color Codeμ光量分布
典型的な光量分布(上図)‫‏‬と問題のあるチャンネル(下図)の光量分布

バッドチャンネルの原因

ファイバーに由来するもの（21ch）
断面の研磨不足および反射材の塗布不足、ファイバー表面の傷、GOMI コネ
クタの根本で折れている
その他（2ch）
MPPC受光面の汚れ、ケーブル接続ミス

全チャンネルの修理が完了

9平均光量分布••

トラッキングプレーン全8448ch分の平均光量＝40.0p.e.‫‏‬
最低光量は25.9p.e.

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検出効率

宇宙線イベントとミスイベントから、検出効率を求めた。
ミスイベントとは、上下の層のチャンネルが光っても、真ん中の層の光るべきチャンネルが光らないイベントのことである。

宇宙線イベント

ミスイベント

検出効率

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不感率

Mean 0.5%
0.8%

不感率

不感率 

ミスイベント数
宇宙線イベント数

不感率は 平均0.5%、最低0.8%

モジュールの製作およびインストール


2009年2〜3月にかけて、1stモジュールの製作およびインストールが完了。
6〜8月にかけて残りの13モジュールの製作およびインストールが完了。

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ニュートリノイベントの初検出‫‏‬
11月のコミッショニング時に、ニュートリノの初検出に成功した。

ν‫‏‬beam

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ニュートリノイベントの初検出‫‏‬
11月のコミッショニング時に、ニュートリノの初検出に成功した。

ν‫‏‬beam15

トラック検出
Hough変換を利用して直線を検出する。

Hough変換

その後交点の有無を自動で検出するため、画像をデジタル化し密度の高いビンとして判別する。(研究中)

16Hough変換17原点から各点までの距離をr,なす角をθとした場合、r(θ)=xcosθ+ysinθが成り立つ。rをθの関数としてグラフに表すと、下図のようになる。
5つの曲線の交点座標(r,θ)は、5点を結ぶ 直線までの原点からの距離となす角を表す。
反応のあったセルの座標を調べて、各座標を[x]cosθ+[y]sinθに代入して曲線を表示させる。まとめと今後の予定

2008年8月から現在までの間、シンチレータープレーンの製作、性能評価、モジュールの製作、インストールを行った。
現在ビームコミッショニング中
2010年3月より物理ラン開始予定



トラッキングプレーン全チャンネルの平均光量は40.0p.e.,最低平均光量は25.9p.e.
INGRIDの検出効率は99.5%（全シンチレーター層の検出効率≧99.2%）モジュールインストール後、ニュートリノイベントの検出に成功

Hough変換を利用したニュートリノイベント探索を目指す



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19Back Up

Monte Carlo Simulation of T2K

20(left) input and oscillated flux(right) ratio and fitting
Parameters are (sin22θ,Δm2)=(1,0.0028).

Eν[MeV]Eν[MeV]VETOプレーンカット

CCQE反応 ： νμ + n → μ- + p21

シンチレーター22原理
シンチレーターに荷電粒子が入射すると、エネルギーをプラスチック中の 電子に渡す。その振動エネルギーの一部が光として放出され、シンチレーション光(紫外線)となる。プラスチックに蛍光物質を混ぜておくと、シンチレーション光はそれらに 吸収されて青や緑の光を出す。

特徴•
押し出し型プラスチックシンチレーター 1×5×120cm 600g•
ポリスチレン＋PPO(1%)＋POPOP(0.01%)‫‏‬•
発光波長のピーク=425nm

波長変換ファイバー

23原理
通常、光ファイバーに側面から入ってきた光は全反射条件を満たすことができないため、そのまま外部にでて行く。よってその光を伝送することは できない。波長変換ファイバーは、中心に波長変換材（ ある波長領域の光を吸収してそれより長い波長領域の光を等方的に再発光する物質 ）が混ぜ込まれているので、再発光された光のうち全反射条件を満たすものはファイバーの中を伝搬することができる。

特徴•
Y-11(200)MS•
吸収波長のピーク=420nm•
発光波長のピーク=450nm•
この波長領域におけるMPPCの量子効率〜70%24検出効率の測定におけるイベントセレクション


宇宙線試験で合格したプレーンが真ん中にが存在した場合のみ、検出効率を求める
解析の結果、176プレーン中57プレーンが該当

イベントセレクション

着目している層以外の7層にそれぞれ1chずつのヒット（9.5p.e.以上） を要求する。
TPL0,3の、自身と同じ方向の層において、hitを要求。hit ch.をl,m とする。


真ん中2つの層のうち、着目していない 方の層において、l≦hit(n)≦m が あれば、Cosmic event と定義。
着目する層において、l≦hit≦n があればhit event,なければ miss event とする。
不感率は miss ev./cosmic ev. として求める。

ニュートリノイベント(2)INGRIDイベント‫‏‬ν‫‏‬beam25

ニュートリノイベント(3)バックグラウンドイベント‫‏‬ν‫‏‬beam26

ニュートリノイベント(4)バックグラウンドイベント‫‏‬ν‫‏‬beam27