J-PARC MLF施設を用いたステライルニュートリノ探索
Proposal:A Search for Sterile Neutrino at J-PARC
Materials and Life Science Experimental
Facility

J-PARC Materials and Life science experimental Facility (MLF)

September 2, 2013
M. Harada, S. Hasegawa, Y. Kasugai, S. Meigo, K. Sakai,
S. Sakamoto, K. Suzuya
JAEA, Tokai, Japan

Neutron Hg target(& neutrino source)

E. Iwai, T. Maruyama, K. Nishikawa, R. Ohta
KEK, Tsukuba, JAPAN

Detector@3rd floor(50 ton fiducial, 17m baseline)

M. Niiyama
Department of Physics, Kyoto University, JAPANS. Ajimura, T. Hiraiwa, T. Nakano, M. Nomachi, T. Shima
RCNP, Osaka University, JAPANT. J. C. Bezerra, E. Chauveau, T. Enomoto, H. Furuta, H. Sakai,F. Suekane
Research Center for Neutrino Science, Tohoku University, JAPAN3GeV proton

M. YehBrookhaven National Laboratory, Upton, NY 11973-5000, USA
W. C. Louis, G. B. Mills, R. Van de Water
Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA

2013/Dec/08
Spokes person : Takasumi Maruyama (KEK)takasumi.maruyama@kek.jp
KEK IPNS 太田、岩井
領域研究会「ニュートリノフロンティア」@クロス・ウェーブ府中111目次•イントロダクション(太田)★ LSND実験における事象超過★ ステライルニュートリノを巡る現状★ 実験の特長(LSNDに対するアドバンテージ)-μDARフラックス, Gdを用いたIBD選別★ ステライルニュートリノに対する実験感度✴

•

ニュートリノビームの生成過程や検出器、イベントセレクションについては詳述しません

BG見積の現状とこれからのBG測定予備実験(岩井)2

LSND実験での事象超過•

LSND実験でνeの事象超過が観測され、解釈に決着がついてない(右下図青色部分)•

仮に振動による事象だすると、このL/Eの領域では3つのアクティブ(電弱相互作用•する)ニュートリノによるΔm122, Δm312( Δm322)の振動は観測されない
LSND実験での事象超過(有意性3.8σ)
このイベントをニュートリノ振動で説明するには標準理論以外のニュートリノが必要になるが、アクティブニュートリノは三種類に限定されるので(LEP実験より)、電弱相互作用を行わないステライルニュートリノが必要になる

3

ステライルニュートリノを巡る現状•LSNDやMiniBooNE実験でappearance事象が示されたし、原子炉ニュートリノ測定やGa線源測定によるdisappearance事象も示されている(右下表)‣•Δm2>~O(1eV2)領域にステライルニュートリノの存在が示唆されている

我々はLSND実験の手法を改善してLSND実験を凌駕する感度を達成することで
νμ→νe振動に対する答えを出す

実験

ニュートリノ源

信号

有意性

LSND

μDecay-At-Restνμ→νe3.8σ

MiniBooNE πDecay-In-Flightνμ→νe3.4σ

νμ→νe2.8σ

combination 3.8σGa(較正)

軌道電子捕獲

νe→νs

2.7σ

原子炉

β崩壊

νe→νs

3.0σ

4

実験の特長(LSNDに対するアドバンテージ)
J-PARC MLF
実験

LSND実験

パルス幅150ns, パルス幅600us
ビーム構造
2バンチ, 25Hz120Hz

検出器

Gd含有
有機液体シンチレータ有機液体シンチレータ

改善点
低いduty factorによるフラックスの切り分け
遅延同時計測でGdを用い背景事象の除去能力強化•フラックスの切り分け: DIF成分とDAR成分を切り離してフラックス形状の不定性を無くす(次頁)•

検出原理: 逆β崩壊(νe + p -> n + e+ )を用いた遅延同時計測-

Gdを用いた背景事象の除去能力強化‣

prompt信号: e+, delayed信号: Gdによる中性子捕獲γ線(計8MeV, 寿命30us)<-> LSNDではdelayed信号がHによる中性子捕獲γ線(計2.2MeV, 寿命200us)➡

LSNDよりもdelayed信号に対する背景事象を押さえやすい-

μ+→νe由来の12C(νe,e-)12Ng.s.(prompt: e-, delayed: e+(寿命15.9ms>>30us)),
ビーム由来γ線, 環境γ線に対する除去能力が強くなる
5

実験の特長: μDARニュートリノフラックス
signal: π+→μ+→νμ→(振動)→νe陽子ビームと水銀標的の衝突→
neutrino BG: π-→μ-→νe, π+→μ+→νe
10-1

••

ビームバンチに近いタイミング(On-bunch)ではDAR成分とDIF成分が混在しており、10-2-3π、K粒子由来のニュートリノも混在している(左下図)
1010-4ビームから1us後にはμDAR由来のニュートリノフラックスのみが残り、形状は静止三体崩壊(終-510端52.8MeV)なのでよく分かっている(右下図)-610•

On-bunchタイミングから測定をずらすことでニュートリノ事象以外のBGも低減する
10-7-80μ-→νe背景事象はμ+→νμに対して0.2%に抑制される(右下図)

ビームバンチ

600ns

μDAR測定100

200300

ビーム立上りから1us後のニュートリノフラックス#ν/2MeV/POT•10¯µ10-2µ10-3¯e10-4e-510-61060100200300

energy[MeV]振動パターンのΔm2による違い(L=17m)• フラックス形状も逆β崩壊の反応断面積もよく分かっているので測定されるスペクトルの形状も明瞭に分かる→振動パターンもわかるしμ-→νe背景事象を区別出来る• その他の背景事象をどれだけ抑えられるかは我々の工夫次第
赤: νμ→νe振動事象
青: νe背景事象
エネルギー分解能: 15%/ E[MeV]を仮定• 検出が期待される振動事象数はΔm2=3.0eV2, sin22θ=0.003のとき202/year• 背景事象数は96/year7ステライルニュートリノに対する実験感度•

右下図は1MWで4年(検出効率50%)で50t検出器を用いてL=17mで測定した場合の感度(運転時間4000hour/year)•

LSNDが示唆した領域中、Δm2>2eV2の領域について有意性5σで結論をつけることが出来る。
これで見えなかった場合、L=60m程度で小さいΔm2領域をカバーする実験を行うオプションを考えている。

•

感度を出すにあたっては検出器によるイベント再構成のシミュレーションをもとに、IBDイベントに対する選別を行った
ICARUS 90%
exclude region•

背景事象としてμ-→νe事象のみを仮定している•

μ+→νe由来の12C(νe,e-)12Ng.s.事象はベントセレクションでμ-→νe由来のIBD事象の10%程度に落ちる•

その他の背景事象もμ-→νe事象に比べて小さいと見積もっている(背景事象については岩井講演で)

イ8

青: 5σ
緑: 3σ

背景事象測定• 検出器設置場所(MLF 3F)の background level を知りたい

N3F
NBL13

• 同 BL13 での測定 → n3F = nBL13
data!

MC3F!

• どんな事象が背景事象になるか？
• 信号事象は逆ベータ崩壊： ¯e p

BL13+e n3 GeVproton• 先発：Michel-e like な 陽電子• oﬀ-timing (t ~ 2.2 µs), up to 50 MeV• 後発：Gd による熱中性子捕獲からのγ線• t ~ 27 µs, E ~ 8 MeV+µ←DAR からの ¯µ¯e

本講演の概要• 信号事象（逆ベータ崩壊）
先発 : e+(up to 50 MeV)!

¯µ!

(from µ+ DAR)
!

¯en

Gd
後発 : γs (total 8MeV)!

• 背景事象偽先発nγn
偶然同時事象

連続事象

偽後発Gd

本講演の概要• 検出器設置場所(MLF 3F)の background level を知りたい

N3F
NBL13

• 同 BL13 での測定 → n3F = nBL13
data!

MC3F!

• どんな事象が背景事象になるか？
• 信号事象は逆ベータ崩壊： ¯e pBL13+e n

3 GeVproton• 先発：Michel-e like な 陽電子• oﬀ-timing (t ~ 2.2 µs), up to 50 MeV• 後発：Gd による熱中性子捕獲からのγ線• t ~ 27 µs, E ~ 8 MeV+µ←DAR からの ¯µ¯e

1 ton scintillator detector @ BL13䠍䝖䞁䝥䝷䝇䝏

•• 4.6m長, 4.5cm厚 の両読みシンチ 38本：総重量 1 ton（外縁のシンチは宇宙線veto に使用）
至ターゲット• 300 kW ビーム運転•

1t scintillator

beam data
MLF beambunchestime

gate for FADC(5.5µs)

energy[MeV]nSpill=862361
104102310102

1010

10

2000
nSpill=862361

4000

time[ns]1

beam data
MLF beambunches

timegate for FADC(5.5µs)

宇宙線

energy[MeV]nSpill=862361
104

102

310

先発背景事象候補
10210

環境γ線→

101

beam spill: 25Hz040ms

2000
nSpill=862361

4000

time[ns]1

後発背景事象候補

後発事象に対する背景事象• 背景事象の内訳• E ~ 8 MeV のγ線（外部で中性子が鉄に捕獲され放出されるγ線など）• 最終的に熱中性子捕獲からのγ線として観測される中性子（Gdに捕獲されると 8 MeV だが、シンチ中の陽子に捕獲されると 2.2 MeV）!

!

• 1t@BL13, 300 kW での背景事象数• 6<E[MeV]<12 γ線：0.9/spill/100µs• 1<E[MeV]<4 中性子：14/spill/100µs

r2 / ndf
p0p1
p2

1

relative rate

• 観測量の時間推移：~100µs で時間減衰する• 観測している window 内の量から換算

0100r2 / ndf

1.188 / 10.6526 ± 0.01684
112.7 ± 11.92
0.1592 ± 0.01947

200

time [µs]• 20<E[MeV]<60 に着目#events

先発事象に対する背景事象

hTime0
Entries
Mean
RMS
Integral
r2 / ndf
p0
p1

105

162337933.9 ± 0.7736
311.4
5.125e+05
11.67 / 20
617.2 ± 151.6
2.348 ± 0.403

104

no-beam時からの換算値

2.2 µs の時間減衰が見える
103!

• 外側のシンチに対して宇宙線vetoを要請

102

1000

~50 MeV の edge が見える!
!

2000

3000

Michel-e

4000

time[ns]

cosmic muon

400
350
300
250

➡ ビームと同期した µ 崩壊からのMichel-electron

beam-onbeam-off

200
150
100
50020

40

6080

100
energy[MeV]400#events

hTime0350

先発事象に対する背景事象

Entries
Mean
RMS
Integral
r2 / ndfp0p1

300105250•20<E[MeV]<60 に着目
2.2 µs の時間減衰が見える

162337933.9 ± 0.7736
311.4
5.125e+05
11.67 / 20
617.2 ± 151.6
2.348 ± 0.403

200
104

no-beam時からの換算値

150
100
310!

50

• 外側のシンチに対して宇宙線vetoを要請

0102 201000~50 MeV の edge が見える!
!

➡ ビームと同期した µ 崩壊からのMichel-electron

40

2000

60

Michel-e

3000

80

100

4000

time[ns]

cosmic muon＋charged vetoを要請

100
80

beam-onbeam-off

604020020406080100
energy[MeV]ビームと同期した muon 崩壊• 先発背景事象とビーム中のアクティビティとの距離の分布を、その事象が見つかったスピルと、無関係なスピルで比較

2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
20000time

先発背景事象が!
見つかったスピル!
無関係! (次の)スピル!

•muon の由来は？

hDistance1_2_0

90

Entries
Mean
RMS
Integral

80
7060

1307
126.6 ± 3.16
114.2
1307

correlated sample
uncorrelated sample

50
40
3020
10200

00 400100 600

200 800

3001000

400

500

distance between activities[cm]µn(Ek>200MeV)e
偽先発± production probability

Ek>200MeVhDistance1_3_080
0.16

700.14600.12945
119.5 ± 3.701
113.8
945

50

0.1
0.08

400.0630

0.04

200.02

1000Entries
Mean
RMS
Integral

200

MC

0 400
0100 600

200 800

3001000

neutron kinetic energy[MeV]

400500

ビームと同期した muon 崩壊• 先発背景事象とビーム中のアクティビティとの距離の分布を、その事象が見つかったスピルと、無関係なスピルで比較

先発背景事象が!
見つかったスピル

time

hDistance1_2_090

Entries
Mean
RMS
Integral80
7060!

correlated sample
uncorrelated sample

5040

無関係! (次の)
スピル

3020!

•1307
126.6 ± 3.16
114.2
1307

1000muon の由来は？

100200300

hDistance1_3_0
Entries
Mean
RMS
Integral

70µne
偽先発Gd

偽後発γ
連続事象

500

distance between activities[cm]80(Ek>200MeV)

400

60

945
119.5 ± 3.701
113.8
945

50
403020
1000

100

200

300

400500

ビームと同期した muon 崩壊• 先発背景事象とビーム中のアクティビティとの距離の分布を、その事象が見つかったスピルと、無関係なスピルで比較

time

先発背景事象が!
見つかったスピル

hDistance1_2_0

90

Entries
Mean
RMS
Integral80
7060!

correlated sample
uncorrelated sample

5040

無関係! (次の)スピル

1307
126.6 ± 3.16
114.2
1307

3020!

1000!

100

200

300

400500distance between activities[cm]• ビーム起源の高速中性子の荷電 pion 生成からの Michel-electronか？

hDistance1_3_0

80

Entries
Mean
RMS
Integral70!

•• τ =2.2µs を考慮して 1<t[µs]<10 に換算• 5.6 10 /spill
1t@BL13, 300 kW での背景事象数μ-460945
119.5 ± 3.701
113.8945

504030201000100200300

40050020100300kW@BL13 → 1MW@3Fn3F = nBL13
1

N3F 10
NBL13810• PHITSシミュレーションによる、3Fでの見積• 後発背景事象 本実験検出器表面@3F, 1MW107610（いずれも全エネルギーでの入射量@検出器表面）

10• γ線：14 /spill/100µs/detector• 中性子：40 /spill/100µs/detector

1045102➡ 5 x 10-2 /spill±k-7!

➡ 主な背景事象 (µ- からの ¯e ) より少なく、実験可能である！

@BL131# neutrons/30MeV/POT•• π を作る E > 200 MeV の中性子数の比較• 2 x 10 /spill/detector (1<t[µs]<10)連続背景事象 本実験検出器表面@3F, 1MWdata
MC

31010energy[MeV]

Ek>200MeV

MC

10-12-131010-14-1510-1610BL13
3rd floor

10-17-1810100200300

neutron kinetic energy[MeV]20100300kW@BL13 → 1MW@3F

n3F = nBL13
1

N3F 10NBL13810• PHITSシミュレーションによる、3Fでの見積• 後発背景事象 本実験検出器表面@3F, 1MW

107
610（いずれも全エネルギーでの入射量）

10• γ線：14 /spill/100µs/detector• 中性子：40 /spill/100µs/detector

1045dataMC

310102!

@BL13•• π を作る E > 200 MeV の中性子数の比較• 2 x 10 /spill/detector (1<t[µs]<10)連続背景事象 本実験検出器表面@3F, 1MW±k-7!

➡ 主な背景事象 (µ- からの ¯e ) より少なく、実験可能である！と proposal に書いた。

# neutrons/30MeV/POT

110energy[MeV]

Ek>200MeV

MC10-12ﬂuxで“５桁以上低い”-131010-14-1510-1610BL13
3rd floor

10-17-1810100200300

neutron kinetic energy[MeV]背景事象測定@MLF 3Fµe の量を測定する• 主にビーム起源の高速中性子による• 連続的な背景事象であるためフラックス上限値に対する要請は非常に厳しい（＝本実験と同じ大きさ、同じ期間を用意しないと近い感度にならない）• 実際には５桁の開きを埋める、上限値を設定したい• ５桁低いフラックスなら、カット無しでシグナル事象と同程度の背景事象数• 加えて物理カットによる O(10 )の抑止を期待している➡ 2-3桁低いフラックスの上限値が付けられれば、実験として成立
3!

• この測定の主な背景事象は、擦った宇宙線、宇宙線起源の Michel-electronなど• ~1t 重さの検出器を、veto検出器で囲む• ３桁低いフラックス上限値を目標とした背景事象測定を春から開始したいまとめ• J-PARC MLF におけるステライルニュートリノ探索実験• ９月に proposal を提出（P56）• RCS pulsed beam : DAR µ を π/K/n から選別
• Gd 捕獲による熱中性子検出• 低く抑えられた系統誤差• µ DAR からの反ミューオン・ニュートリノ：エネルギー分布が well known• 反応断面積がよく分かっている逆ベータ崩壊による検出➡ LSNDの領域を 5σ レベルの高い感度での測定を目指す• BL13 にて 1 ton scintillator detector を用いた背景事象の測定- BL13と比べ 3F での５桁低い高速中性子フラックス（MC)‣ 春からMLF 3F での beam Michel-e の直接測定による確認

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