原子核乾板を用いた低エネルギーニュートリノ反応の研究（PEANUT）	
北川暢子（名古屋大学）	  	  新学術領域「ニュートリノフロンティアの融合と進化」 研究会	  2013年１２月８日	

本研究の目的	
J-­‐PARCで原子核乾板を用いたニュートリノ実験を行う意義	  	  Ø 低エネルギーニュートリノ反応の理解	  	  	  	   原子核乾板はニュートリノ反応から放出される全荷電粒子を記録	  	  	  	  	  	  	  ・高分解能な位置精度	  →	  放出角分布	  →	  シミュレーションとの比較	  ・粒子同定・運動量測定→	  ν反応の分類	  	  	  	  Ø νe反応断面積の測定	  極低バックグラウンド下でνe反応を検出	  	  上記の研究を計画・実行するための準備として、PEANUT(Fermi	  labのNuMIニュートリノビームを照射)のECCを用いて解析手法の開発を行う	
nn	  	  	  電子検出器のトリガーに依らないノンバイアスなニュートリノ反応の検出手法の開発	  J-­‐PARCでのニュートリノ実験にむけた検出器の考案	  νe反応の検出・電子同定に最適化したECC構造の検討	  muon	  IDのための電子検出器の検討	

SoudanMINOS Far Det.

735km	  The	  NuMI	  beam	  «««««««

120	  GeV	  protons	  8.7µs	  spill	  Kme	  1.9	  s	  cycle	  Kme	  8.7µs	  every	  1.9	  s	  2.5x1013	  protons/spill	  2.5x1020	  protons/year	  0.3	  MW	  on	  target	  	  	event/kg/2.5x1020POT	MINOS Hall(地下105m)
PEANUT検出器の設置場所	

Fermilab	

Epeak=	  3GeV	  	  Epeak	  =	  3GeV,<E>	  =	  	  8GeV	  	  	   νµ	  :	  	  91.7%	  νµ	  :	  	  anK-­‐ν
91.7%	  µ	  :	  7.0%	  νe+an--­‐νanK-­‐ν	  :	  7.0%	  e	  :	  1.3%	
µνe+an--­‐νe	  :	  1.3%	

3	  RUN1	  :	  2005.09	  –	  2007.03	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (OPERAのリハーサル)	  	  PEANUT検出器の設置	
ビームの拡がり	  	  直径:	  約2m以上	

MINOS	  Hall	  (地下105m)	  MINOS	  前置検出器	

RUN2	  :	  2007.	  06	  –	  2008.09	  	  Rock	  Muon:	  1~2/cm^2/day	  4	  SFT(ScinKllaKon	  Fiber	  Tracker)	  SFT	  50cm	  50cm	  Image	  Intensiﬁer	  MINOS	  Hall	  (地下105m)	  SFT(ScinKllaKon	  Fiber	  Tracker)	  10.3cm	  12.8cm	  8cm	  SFT	  Wall (ECCの為の補助台) 	  最大48個挿入可能	

ECC	  brick	  SFT	  で選び出したニュートリノイベント	  （PEANUT	  RUN1）	

X-projection

U-projection

S-­‐UTS	  –	  SFT	  agreement	  δX=-­‐285µm,	  δY=196µm	  δθx=6.8mrad,	  δθy=-­‐1.5mrad	  Y-projection

SFTで飛跡の選び出し→ECCに接続→ニュートリノ反応点探索	

7	  ニュートリノ照射	  (RUN2)	

Exposure	

2007.06	  –	  2008.02	 2007.06	  –	  2008.09	

#	  of	  ECC	24	

12	expected	  ν	  int	

~6000	~4000	

ECCの構造と特徴	
OPERA	  （for	  high	  energy）	

PEANUT RUN2	  (for	  low	  energy)	

10X0	

4.5X0	  ・・・	ν	ﬁlm+56x(ﬁlm+鉛板1mm)	

鉛板1mm	  =	  0.18X0	ν	・・・	・・・	

61x（ﬁlm＋鉄板0.5mm）	 15	  x（2	  ﬁlms＋鉛板1mm）	

鉄板0.5mm	  =	  0.03X0	
より細かいセグメンテーション	

π0	  BG	  /	  νe	  CC反応	  =	  0.1%	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  @OPERA(<Eν>=17GeV)	

low	  BG	  from	  π0	

ν反応点近傍の詳細解析	

π0からのBGはnegligible?	  （νeの検出）	

ノンバイアスなニュートリノ反応の検出	
OPERA実験は	  ・電子検出器によるトリガーをかけた事象選択を行っている	  ・１ECCに１イベント（限られた領域のデータを用いたニュートリノ反応点の特定）	  １ECCに〜２００イベントを蓄積した原子核乾板の全面積のデータを用いて、	  飛跡再構成から自動的にニュートリノ反応を検出する手法の開発を行う	  	  	  低エネルギーニュートリノ反応やνe反応を高効率で検出可能にする	

↑ 2007年当時の手法によるν反応の検出	  低運動量の飛跡の再構成、QE反応の検出が困難であった	  スキャンと検出効率の推定	  Location efficiency as a function of ν energy

通常のOPERAのlocaKonでは	  S-­‐UTS	  	  4h/1枚（100cm2,tanθ<0.6）	  でデータ取得	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  ノンバイアスなニュートリノ反応検出のためのハイスピード全面積スキャン（HTSによる100倍のスピード）	  	  低エネルギーの反応を〜95％で検出するためのtanθ<1.0でのデータ取得	  (%)	

95.7%100	  77.6%

80	●	  tanθ<0.4	  ○	  tanθ<1.0	60	40	20	0	0	  	  	  	  	  	  	  	  2	  	  	  	  	  	  	  	  	  4	  	  	  	  	  	  	  	  	  6	  	  	  	  	  	  	  	  8	  	  	  	  	  	  	  	  10	  	  	  	  	  	  12	  	  	  	  	  	  14	  	  	  	  	  	  16	  	  	  	  	  	  18	  	  	  	  	  	  	  20	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  Eν	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  	  (GeV)	

11	  ECC中の飛跡とSFT、MINOS	  NDとの対応によるmuon	  ID	MINOS	  	  ND	③		  	  	  ν	
①	

②	

① ECC中で検出された飛跡をSFTに外挿する	  	  ② ECCの飛跡と一致するヒットを探索して、その	  飛跡の時間情報を付加する	  	  ③ 更にMINOSのNDに外挿し、時間・位置・角度に	  一致が見られるmuonの飛跡かどうかを識別する	  このようなセットアップの時のmuon	  ID	  eﬃciencyをデータで検証すると共に、	  J-­‐PARCに設置した場合のmuon	  IDの手法の提案を行う。	  electron	  ID	• OPERA	  (10X0	  /	  1ECC,	  <Eν>=17GeV)	  • PEANUT	  (4.5X0	  /	  1ECC,	  Eνpeak	  =3GeV)		  	  	  	  	  電磁シャワーの発達により電子同定	  4.5X	

0	  X	  ν	・・・	鉄領域	  :	  1.8X0	・・・	

鉛領域：	  2.7X0	

4.1X0	  electron	  E	  =	  11.3±3.3（GeV）	

Z	gamma	  E	  =	  0.89±0.50（GeV）	

e l e c t r o n
E=11.5±3.3（GeV）	

hadron2	  P	  =	  0.34+0.54-­‐0.13（GeV/c）	

hadron1	  P	  =	  3.71+3.73-­‐1.24（GeV/c）	

電子：E	  =	  E0exp(-­‐x/X0)	  	  π ：E	  =	  E0~P0	  	  の違いによる電子同定	  	  同定効率とエネルギー分解能については、電子ビームによるテスト実験で検証する	  	  電子	π	まとめ	J-­‐PARCでの原子核乾板を用いたニュートリノ実験の立案のためにPEANUT(Fermi	  labのNuMIニュートリノビームを照射した)実験のECCの解析を行う。	  
n低エネルギーν反応、νe反応を高効率で検出するために、原子核乾板のデータのみのノンバイアスなニュートリノ反応を検出する手法を開発する	  	  n	  	  	  J-­‐PARCでのニュートリノ実験にむけた検出器の考案を行う	  -­‐	  νe反応の検出・電子同定に最適化したECC構造の検討	  （検出効率、電子同定、エネルギー分解能の推定）	  	  -­‐	  muon	  IDのための電子検出器の検討	  （ECCとSFT、MINOS	  NDとのcoincidenceによるmuonの同定効率の検証）		

back	  up	

エマルショントラックとSFTの対応	
Oﬀset	  =	  SFTの位置精度	  Meserr	  =	  エマルショントラックの角度測定精度	  位置ズレ許容値	  =	  Oﬀset	  +	  Meserr	  ×	  z	  	  +(散乱エラー)	  BaseTrack角度精度	  rms	  :	  ~3mrad	  今回の設定:	  (oﬀset,meserr)=(0.5,0.005),(1.0,0.010)	  beam	  z	  エマルショントラック	  （最下流プレートでの位置、角度）	

X-­‐10layer,	  Y-­‐10layer,	  U-­‐2layer	  ECCで測定可能な物理量	• 反応点直後（0.5mm,0.25mm）の荷電粒子飛跡の測定	  – 約75%の荷電粒子の飛跡を解析可能	  – 2mrad,	  µm精度の測定(MINOSは4cmセグメントのシンチ）	  • 運動量測定	  – 多重散乱を用いた運動量(pβ)測定 (dP/P	  ~20%)	  – Visible	  energy	  の測定	  • ParKcle	  ID	  – muon	  ID	  • MINOS	  near	  detector	  を muon	  spectrometer	  として利用	  – electron	  ID	  • E	  =	  E0exp(-­‐x/X0)	  と	  E=E0-­‐dE/dX	  の違いによる電子同定	  • Low	  Energy	  beam	  でも約90%のIDが可能	  – proton	  ID	  • dE/dXの測定と多重散乱からのpβ測定	  • 60%程度のproton	  をID可能	
17	  粒子同定	
電子	

①	  γ	  →	  e+e-­‐	  の識別	  	  	  	  飛跡の発生点を目視確認により、反応点近傍の	  電子対を除去	  	  1µm
②	  電子／ハドロンの識別	  候補となる飛跡を1枚1枚下流へ追い下げる	  	  ・ 候補飛跡の近傍で（半径50µm以内）の飛跡本数の変化	  ・ 多重散乱による角度の変化量	  	γ→e+e-­‐	  Z-­‐projecKon	  物質中での電離損失	  電子： E(x)=E0exp(-­‐x/X0)	  ハドロン：E(x)=E0～P0	  	  多重散乱による物質中での角度変化	  	  	  	  	δθ =13.6MeVPxX018	  NuMI	  Low	  Energy	  interacKon	  Location efficiency as a function of neutrino energy

Momentum distribution for muon and proton @ LE

95.7%
77.6%

ECCでの物理量測定
運動量測定 （多重散乱によるpβの測定 dp/p ~20%)
Electron ID （E = E0exp(-x/X0) と E=E0-dE/dX の違いによる電子同定）
Low energy proton ID （dE/dX 測定と多重散乱によるpβ測定から）	

19	  ECC(BL118)トラックとSFTトラックの	  
位置、角度ズレ	preliminary	  20	  ニュートリノビーム	
PEANUT検出器	

Proton	  	  π+	  675m	  μ+	  νμ	  標的:グラファイト(カーボン)	  240m	  Horn	  Magnet	  21	  PEANUT検出器の配置	
PEANUT検出器	
MINOS	  Near	  Detector	  νμ	  ECC	   SFT	  3m22