奥村公宏 （東大宇宙線研）
新学術領域研究 「ニュートリノフロンティア」研究会
2013年12月7日 ＠ クロスウェーブ府中1

大気ニュートリノp, He

π + → µ + +ν µe+ +ν e +ν µπ − → µ − +ν µe− +ν e +ν µ νµ, νµ , νe, νeθ 広いエネルギースペクトル

sub-GeV ～ TeV, PeV, ...

 飛行距離の天頂角依存O(10km) ～ 104km
 Free !
2

天頂角分布、L/E
2
 1.27 ∆m32L
1 − sin 2θ 23 sin Two-flavor oscillation: P(ν µ → ν µ ) =E

22

∆m232

~ 1- 1/2 sin22θ233

Sub-dominant 振動モード
原子炉･加速器ニュートリノ測定による θ13 の発見：
大気ニュートリノで θ13 による νµ  νe 振動

物質効果による質量階層性の識別が可能δCP、 θ23 octant にも感度あり

solar term effectInterference

Resonance due to non-zero θ13νµ  νe 振動確率(1) solar term ∆m221 による振動
sensitive to θ23 octantmantle(2) Interference
sensitive to δCPcore(3) θ13 による resonancesensitive to θ23, θ13, MH(2~10GeV領域）
4物質効果と質量階層性（MH）
物質中での νµ  νe 振動確率 （solar term ∆m221を無視）2
 1.27 ∆m32,
MLP(ν µ → ν e ) ≈ sin θ 23 sin 2θ sin E
22sin 2 2θ13M =2M132sin 2θ132ACC
22  + sin 2θ13
 cos 2θ13 −∆m32 

Resonance:( ACC = 2 2GF N e E )2
ACC ~ ∆m32cos 2θ13

NormalHierarchy

InvertedHierarchy(∆m232>0)(∆m232<0)ν の場合 ACC → - ACC....
5物質効果と質量階層性（MH）
νµ  νeInverted hierarchy(∆m232<0)Normal hierarchy(∆m232>0)νµ  νe

ニュートリノ事象と反ニュートリノ事象を区別できれば、MH識別の可能性あり
6Super-Kamiokande(front)
SK-I Acrylic+ FRP (back)11146 ID PMTs
(40% coverage)

SK-II5182 ID PMTs
(19% coverage)

SK-III11129 ID PMTs
(40% coverage)

SK-IV
Electronics
Upgrade1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012

SK-I
(1646days)

SK-II(828days)

50kt水チェレンコフ検出器（FV22.5kt）
SK-IV 2008年10月より

SK-III(636 days)

SK-IV

7

大気ニュートリノの事象タイプ

8

Event distribution

0

運動量分布
[log10(MeV)]

天頂角分布[cosθzen]

SK I+II+III+IV(4223 days FC/PC, 4527days UPMU)

0(-1:up 1:down)data
no oscillation
global best fit
9νe / 反νe 識別
 水チェレンコフでレプトン電荷による ν / 反ν 識別はほぼ不可能
 Kinematics の違いやπ粒子の終状態による統計的な分別を行う
Resonance region

Kinematics による違い：

π粒子の終状態：π+  散乱、崩壊電子
π-  水中で absorption

QE
S-PiDIS

ニュートリノ

反ニュートリノ

ν + n → l− + pν + p → l+ + n

ν + p → l− + p + π +ν + n → l+ + n + π −ν + n → l− + p + π 0

ν + p → l+ + n + π 0

ν + n → l− + n + π +ν + p → l+ + p + π −ν + n → l− + N′ + m π

ν + p → l+ + N′ + m π

ν + p → l− + N′ + m π

ν + n → l+ + N′ + m π+1 or +2CC νeCC anti-νe

レプトンエネルギー比率

Smaller

LargerTransverse
momentum (PT)

LargerSmaller

チェレンコフリング数

MoreLess

0 or -110νe / 反νe 識別
Single-Ring 事象：
崩壊電子の有無で分別
νe-likeνe-like

Multi-Ring 事象:
反応 kinematics、崩壊電子数を用いた
Likelihood 法による分別：(Evis: 2.5~5 GeV)PT

Number of rings

CC νe
CC anti-νe
Number ofdecay electrons

CC anti-νe
CC νe
NCCCνµSeparation後：
Number of decay electrons

11MH、sin2θ23 effectMulti-GeV νe-like (1R+MR)2
 1.27 ∆m31,
MLP(ν µ → ν e ) ≈ sin θ 23 sin 2θ sin E

22M
132Multi-GeV νe-like (1R+MR)

sin2θ13 =0.025, δCP=40o

Normal / Inverted で νe-like と anti-νe-like での増加量に違い
sin2θ23にも依存12

CP phase effecterror bar: Super-K 10 yrs

80°
220°
300°

cos θcos θ13

解析結果
P-cosθ 分布を NH/IH, ∆m232, θ23, δCPで χ2 フィットsin2θ13 は0.025 に fixed

Normal hierarchy

Normal vs Inverted

Inverted hierarchy22( NH ) − χ min( IH ) =1.51
χ min（期待感度: 2.3 )SK data slightly preferred:
Inverted hierarchyδCP ~ 220 deg
2nd octant
14

今後の期待感度 (Current SK + 5yrs)
θ23 octant決定感度

質量階層性の決定感度

SK+5 years+ Global
SK+5 years

Normal hierarchy
sin22θ23=0.1

Normal hierarchy
sin22θ23=0.1

68%
90%
95%
99%

2σ1σ

仮定パラメター- バンド幅はCPδ依存性-- octant決定確度~2σ ＠ sin2θ23=0.6 (SK only)

階層性決定確度~2σ ＠ sin2θ23=0.6615

Possible improvements
 事象再構成性能の向上
 全PMTの電荷･時間情報を用いた事象再構成νµ CC、NC、 νµντ バックグラウンドの除去

 加速器ニュートリノによる測定とのcombined analysis

 反跳中性子捕獲による2.2 MeV ガンマの遅延信号による反ニュートリノ同定

ex. νe CC QE:
ν e + p → e+ + n

 より大きな検出器でmulti-GeV事象の統計を増やす (Hyper-Kamiokande)

16Hyper-K MH sensitivity
Multi-GeV νe-like (1R+MR)

Multi-GeV νe-like (1R+MR)

 10 年 で 3σ以上で決定可能
 2nd octant で significance が大Promising !

10yrs, sin2(θ13)=0.098 fixedband : CP uncertainties
17

Hyper-K θ23 octant, CP sensitivity
θ23 Octant

CP18その他のTopics
 Sterile neutrino
 大気ニュートリノフラックス測定

19

PMNS

Sterile Neutrinos•Searches using SK atmospheric data

are independent of sterile ∆ m2 andnumber of sterile neutrinos• 3+1 models and 3+N models have same

signature in Super-K

 U e1
U µ1

U=
 Uτ 1 U s1

U e2

U e3

Uµ2 Uµ3Uτ 2Uτ 3

U s2

U s3

U e4 
Uµ4 Uτ 4 
U s4 

• Atmospheric neutrinos can say something about:|Uµ4|2: Signature is extra νµdisappearance in all µ–like data
samples, at all energies and angles|Uτ4|2: Signature is shape distortion in
angular distribution of higher energy
subsamples

20

Sterile Neutrinos
Reactors/Ga ~ |Ue4|2SBL νµ→νe ~ |Ue4|2|Uµ4|210

Fit for |Uµ4|2 in SK-I+II+III+IV
data (1631 days):∆m241

Global fit to both, assuming 3+1,gives allowed regions in |Uµ4|2|U µ4|2 < 0.021 at 90% C.L.
|Uµ4|2 < 0.031 at 99% C.L.
SK excludes a large portion of
the global allowed regions.

Global fit
JHEP1305:050(2013)

Super-K
Excluded

1
MiniBooNE+
SciBooNE
PRD86, 052009 (2012)

10-1

99%C.L.
SK 99% C.L.

Preliminary

10-2

10-1

|U |2µ421

Sterile Neutrinos
Fit for |Uτ4|2 in SK-I+II+III+IV
data (1631 days):|Uτ 4|2 < 0.22 at 90% C.L.
|Uτ 4|2 < 0.27 at 99% C.L.

P (µ → s)
2|Uτ 4| ≈P (µ → ∗)as |Uµ4|2 → 0Constraint from not seeing sterile
matter effectConclusion from both fits:

Super-K
Excluded

SK 90% CL
SK 99% CL
Valid for Δm2 > 0.8
eV2Preliminary

Limits from SK are applicable to both
3+1 and 3+N models.
SK sees no evidence of oscillations
with sterile neutrinos.
22大気ニュートリノフラックス測定
Super-K νµSuper-K νe

PRL 110, 151105 (2013)本新学術研究による共同研究
A03（大気ニュートリノ）
A04（宇宙ニュートリノ）
Super-K と IceCube による広いエネルギー領域（sub-GeV ～1014 eV）の測定データ
Super-K: フラックス計算でのハドロン生成による不定性に制限
IceCube: PeV 領域の宇宙ニュートリノ
測定のバックグラウンド系統誤差の縮小
共同研究によりさらなる研究課題発掘を期待23Summary 有限の θ13による νµ  νe 振動、物質効果により、大気ニュートリノでMass hierarchy 決定の可能性
 統計的 ν / 反 ν 識別を行い、MH感度を向上させた 今後、解析手法の改良により さらなる 感度向上を目指すと共に、Hyper-K計画を進める
 Sterile： SKで兆候なし。 |Uµ4|2, |Uτ4|2 について制限 大気ニュートリノフラックス測定において、新学術グループ内の共同研究を進めている24