J-PARC KOTO実験におけるビームハロー!! → #$背景事象数の評価と削減⽅法の研究
乃⼀ 雄也 (⼤阪⼤学 M2)
Flavor Physics Workshop 2020 ＠online
2020年11⽉27⽇

J-PARC KOTO実験• 稀な崩壊 !! → #" $%$ の観測を通して新物理を探索→ $%標準理論予測値: *×,-&''

検出不能&' ＋Nothing (崩壊領域の全⽅位をveto)()(の寄与から、 再構成*" はある範囲の⼤きなPTを持つ
veto 検出器

$%
%
KL$(

Flavor Physics Workshop 2020

CsI
カロリメータ2

ハローKL
散乱によってビーム中⼼からずれたビームハローのKLが存在
ビーム中のKL：ハローKL ＝ 1 : !×#$!"KL(ビーム中⼼軸)

ターゲット

CsI

アブゾーバ(7cm⻑の鉛) コリメータ

陽⼦ビームKL ビーム

1次コリメータ
2次コリメータターゲット
光⼦アブゾーバ

KOTO検出器Flavor Physics Workshop 20203ハロー!" → $% 背景事象•

ビーム中⼼からずれたハロー!"が!" → $%の崩壊&' !" → $% ~ ). )×,-./ハロー !"(⼤きなPT)が崩壊→再構成 0- も⼤きなPTを持つ}

veto 検出器##ー
ハロ

信号条件を満たしうるハロー!" → $% 背景事象数(シミュレーションのみから評価)

0- の横⽅向運動量

2" ＋NothingKL
CsI カロリメータ
Flavor Physics Workshop 2020

信号領域
崩壊z座標(ビーム軸⽅向)
4

ハローKLをどう測定するか”COE(Center of Energy ,エネルギー重⼼)”：エネルギーで重み付けされたCsIカロリメータ上の位置座標!"(→"#& )→56!"→ $%& ではKLの到達点と近似可能

Branching ratio ~19.5%

“COE”
KL
ハロー”COE半径”
ハローKLの指標
CsI

ビーム中⼼〜∑(./0'/ 1 2/ )'()* =∑ 2/∑(./04/ 1 2/ )4()* =∑ 2/

ハローKLに起因する !"→ $%& 崩壊を再構成することでハローKLの測定ができる
Flavor Physics Workshop 20205

データとシミュレーションの乖離
ハローKLによる !"→ $%& イベントの寄与が⾒えている→ ハローKLのフラックスを正確に⾒積もる必要がある
COE半径

POT Normalized

イベント数

データ( !"→ $%& サンプル)
シミュレーション

⽐率

乖離！

050

100

150

200[mm]ハローKLフラックスの測定をもとにハロー !" → '( 背景事象数を評価する
Flavor Physics Workshop 20206

本研究の⽬的シミュレーション・データ間でハロー "!のフラックスに乖離⼤統計の観測データを⽤いてハロー "!フラックスの測定

シミュレーション・データ間の乖離の補正により正確なハロー !! → #$背景事象数を求める＋
新たな削減⽅法を開発し、背景事象数の削減を⾏うFlavor Physics Workshop 20207

⼤統計でのハローKL測定!"→ $%& サンプル取得のための新たなトリガーを加えてデータ取得
⼤統計でのハロー KL測定を可能に
COE半径

POT Normalized

イベント数

データ( !"→ $%& サンプル)
シミュレーション

⽐⼤きな乖離！

0100200300

400500[mm]測定されたハローKLのフラックスをもとに補正を⾏っていく
Flavor Physics Workshop 20208

シミュレーションの補正⼿法
COE半径が200mm以上(信号条件)の領域のみ着⽬する
COE半径

POT Normalization＋ データ( !" → $%& サンプル)

⽐

イベント数

シミュレーション

200300400500600mm

COE半径40mmごとに分けられた各領域に対して求めたデータ・シミュレーション間の⽐を⽤いて補正
Flavor Physics Workshop 20209

補正後のハロー !! → #$背景事象数
シミュレーションの補正による背景事象数の新たな⾒積もり

0.43±0.03
0.48±0.03

0.26±0.07
0.39±0.03

補正後の背景事象数: 0.26±0.07 ( 0.06 stat. ⨁ 0.02 syst. )補正前の約7倍

新たな削減⽅法の開発が必要
Flavor Physics Workshop 202010

どのように背景事象となるのか
信号事象 #! → %" (→ 'γ)*+*$" (→ 'γ)はある程度⼤きな横⽅向運動量を持つ

★

##KL

★

(ビーム中⼼軸)!

! !" は検出されない
CsI
Flavor Physics Workshop 2020!"11

どのように背景事象となるのか
信号事象 !! → #" (→ %γ)()(★ E

1

2つの光⼦のヒットのみ観測される★

E2(ビーム中⼼軸)

CsI
Flavor Physics Workshop 202012

どのように背景事象となるのか
信号事象 +& → -# (→ )γ)121

2光⼦の不変質量が!"# と仮定$"#$% = ' −!"#★ E1)*%*$

★

!

★

E2

(ビーム中⼼軸)

ビーム中⼼軸上を仮定して崩壊位置を再構成

CsI
Flavor Physics Workshop 202013

どのように背景事象となるのか
信号事象 !! → #" (→ %γ)()(KL崩壊位置と光⼦のヒット位置からそれぞれの光⼦の運動量を再構成★ E

1P(γʼ1)★

★

P(γʼ2)

E2(ビーム中⼼軸)

CsI
Flavor Physics Workshop 2020

14どのように背景事象となるのか
信号事象 %% → !! (→ 'γ))*)KL崩壊位置と光⼦のヒット位置からそれぞれの光⼦の運動量を再構成

★ E

1!
P(!
)
P(γʼ )
1PT(#" )★

★

P(γʼ2)

E2(ビーム中⼼軸)

信号事象：再構成された !!の横⽅向運動量がある範囲内であることを要求

CsI
Flavor Physics Workshop 202015

どのように背景事象となるのか
ビーム中の!! による!! → #$事象#!が２つの光⼦に崩壊

KL★

"(ビーム中⼼軸)

"

★

CsI
Flavor Physics Workshop 202016

どのように背景事象となるのか
ビーム中の!! による!! → #$事象

2つの光⼦のヒットのみ観測される★ E

1(ビーム中⼼軸)★

E2

CsI
Flavor Physics Workshop 202017

どのように背景事象となるのか
ビーム中の%% による%% → "'事象

中⼼軸上を仮定★ E

PT !γ ~$

1P("γ)★

(ビーム中⼼軸)★

横⽅向運動量を持たないので信号事象と弁別できる

E2

CsI

Flavor Physics Workshop 202018

どのように背景事象となるのか
ハロー!# → #$ 背景事象!

★

!

★

KL
(ビーム中⼼軸)

ビーム中⼼から⼤きくずれた"#が２つの光⼦に崩壊

CsI
Flavor Physics Workshop 202019

どのように背景事象となるのか
ハロー!! → #$ 背景事象
★ E

1

2つの光⼦のヒットのみ観測される★

E2(ビーム中⼼軸)

CsI
Flavor Physics Workshop 202020

どのように背景事象となるのか
ハロー.( → "0 背景事象
2光⼦の不変質量が%%& と仮定"&'() = + −%%&"-'-"

PT("γ)

★ E

1

P("γ)
★

★

E2(ビーム中⼼軸)

ビーム中⼼軸上を仮定して崩壊位置、横⽅向運動量を再構成

CsI
Flavor Physics Workshop 202021

どのように背景事象となるのか
ハロー,& → #. 背景事象
2光⼦の不変質量が!"# と仮定!$"# = #$%$$(& − ()*+)★ E

1

実際とは異なる仮定のため、誤った横⽅向運動量を再構成信号事象と混同するおそれ★ E2!
(ビーム中⼼軸)★
ビーム中⼼軸上を仮定して崩壊位置、横⽅向運動量を再構成

CsI
Flavor Physics Workshop 202022

%+信号事象 !" → $ (→ 'γ)**★

%,%#,'γの親粒⼦は#KL★

(ビーム中⼼軸)!

ビーム中⼼軸上で崩壊

CsI
Flavor Physics Workshop 2020!"
23ハロー!" → $% 背景事象
$γの親粒⼦はKL%

★

%

★

KL
(ビーム中⼼軸)
ビーム中⼼軸から離れた位置で崩壊

CsI
この２つの違いを利⽤する
Flavor Physics Workshop 202024

新たな削減⽅法
⼀つのイベントに対して、・信号事象(!! → #" $%$)を仮定
・ハロー !! → &'背景事象を仮定の２通りでKLの崩壊点を再構成→どちらの⽅が実際に観測されるシャワーの形状と合致するか？
信号事象仮定M%"&'()*+,★

#%"

ハロー $! → 01背景事象仮定
MKL

★ E1

★ E
1

★ #$!

★ E2

CsI

&-.
z axis

Flavor Physics Workshop 2020

COE
★ E2

CsI

z axis25

シャワー形状のテンプレートとの⽐較• 各エネルギー・⼊射⾓・⽅位⾓・⼊射位置ごとに、光⼦が作るシャワーをシミュレーション → テンプレートを作成

実際に観測されたシャワー

••
•
•

エネルギー
⼊射⾓
⽅位⾓
⼊射位置

再構成された変数に対応するテンプレート

Likelihoodを計算• 実際のシャワー形状と⽐較→再構成された変数が妥当かわかる

Flavor Physics Workshop 202026

新たな削減⽅法の流れ
1イベント

背景事象仮定で再構成

信号事象仮定で再構成再構成された変数に対応する
テンプレートとデータを⽐較

再構成された変数に対応する
テンプレートとデータを⽐較

背景事象仮定でのLikelihood

信号事象仮定でのLikelihood

Likelihood Ratio
Flavor Physics Workshop 202027

各仮定でのLikelihoodの分布
ハロー !" → (*背景事象仮定

信号事象仮定Area Normalized

Area Normalized+ !" → $% &'& MC+ Halo !" → () MC+ !" → $% &'& MC+ Halo !" → () MC

背景事象仮定:信号事象仮定:背景事象MCのLikelihoodが⼤きい

信号事象MCのLikelihoodが⼤きい

Log10 (Likelihood)

Log10 (Likelihood)

正しい仮定の時にLikelihoodの値が⼤きくなっている
Flavor Physics Workshop 202028

Likelihood Ratioによるカット
Likelihood Ratio■ !" → $% &'& シミュレーション■ Halo !" → () シミュレーション

Ratio＞0.696

背景事象削減信号事象効率89%92%

BG like : 0Ratio
Flavor Physics Workshop 2020

1 : Signal like29

2光⼦エネルギーによるカット
Likelihood Ratioによるカット後の２光⼦エネルギー+ !" → $% &'&シミュレーション+ Halo !" → () シミュレーション< 1800MeV

信号事象感度98%

Flavor Physics Workshop 2020

背景事象削減更に 35%MeV30

ハロー !! → #$背景事象数の削減能⼒
Likelihood Ratio＞0.696 + 2光⼦エネルギー < 1800 MeVHalo "! → 2% BG

Halo "! → 2% BG

0.43±0.03
0.48±0.03

0.07±0.01
0.05±0.01

0.26±0.07

0.01±0.01
0.02±0.01

0.39±0.03

ハロー "! → $%背景事象数を約96%削減 (信号事象感度 90％)
Flavor Physics Workshop 202031結論• KOTO実験において、データ・シミュレーション間でハローKLのフラックスに関して乖離が⾒られ、ハロー !" → $%背景事象数への影響が予想された。
• ⼤統計の観測データから測定したハローKLのフラックスによりシミュレーションの補正を⾏った結果、新たに⾒積もられたハロー !" → $%背景事象数は0.26±0.07となった。
• シャワーの形および2光⼦のエネルギーを⽤いた削減⽅法により、ハロー !" → $%背景事象数を96%削減(信号事象感度90%)した。

Flavor Physics Workshop 2020

32

END