Collaboration Photo (2017.01)

J-PARC KOTO実験の2015年度物理ラン解析の現状と展望
上路 市訓 （京都大学）@ 23rd ICEPP Symposium
2017年2月19日

KOTO実験• KL → π0νν 探索実験
– direct CP violation– 標準模型 分岐比 3.0 x 10-11– 理論による不定性小: ~2%

Vtd*

大強度陽子加速器施設J-PARC（茨城県東海村）
標的（金）

陽子

KOTO
http://j-parc.jp/Acc/ja/layout.html

2017/2/192

KOTO実験• KL → π0νν 探索実験
– direct CP violation– 標準模型 分岐比 3.0 x 10-11– 理論による不定性小: ~2%

Vtd*-> 標準模型を超える物理に高感度
分岐比10 -8

KEK E391a実験 (<2.6x10-8)

10 -9

Grossman-Nir bound (<1.4x10-9)※アイソスピン対称な K+→π+νν の分岐比からくる間接的上限値

10 -1010 -11
2017/2/19

KL→π0νν 標準模型3KOTO実験• KL → π0νν 探索実験
– direct CP violation– 標準模型 分岐比 3.0 x 10-11– 理論による不定性小: ~2%

Vtd*-> 標準模型を超える物理に高感度
分岐比10 -810 -9
新物理？
10 -10標準模型
10 -11
2017/2/19

A.J.Buras, et al., arXiv: 1408.0728

M.Tanimoto, K.Yamamoto
Prog. Theor. Exp. Phys. 2016, 123B02 (21 pages)

4

KOTO実験• KL → π0νν 探索実験
– direct CP violation– 標準模型 分岐比 3.0 x 10-11– 理論による不定性小: ~2%

Vtd*-> 標準模型を超える物理に高感度
分岐比10 -810 -9新物理？
10 -10標準模型
10 -11
2017/2/19

A.J.Buras, et al., arXiv: 1408.0728

M.Tanimoto, K.Yamamoto
Prog. Theor. Exp. Phys. 2016, 123B02 (21 pages)

5

実験原理

rec. π0 Pt [GeV/c]2γ (+Pt≠0) + nothing

KL→π 0νν MC

signal box
rec. zvtx [mm]2017/2/196

実験原理

2γ (+Pt≠0) + nothing
崩壊領域を光子・荷電粒子検出器（Veto 検出器）で囲む
Backgroundの例:
KL→3π0KL→π+π-π0

KL→π 0νν MC

2017/2/197

KOTO 実験の軌跡

初の物理ラン
arXiv:1609.03637 (to be published in PTEP)
24kW -> 42kW

ハドロンホール事故・復旧

2017/2/19

2015年物理ラン： 2013年の20倍のビーム統計量

82015年ランの解析状況

分岐比
10 -8
10 -9新物理？
10 -10標準模型
10 -11rec. π0 Pt [GeV/c]

Work In Progress

黒：observed
赤：expected
0.17±0.06

0.04±0.01

signal box blinded

0.77±0.16

0.36±0.11

1.57±0.17

0.0rec. zvtx [mm]Single Event Sensitivity: 1.1x10-9(平均信号事象数が1になる分岐比)

2017/2/199

2015年ランの解析状況

分岐比
10 -8
10 -9新物理？
10 -10標準模型
10 -11rec. π0 Pt [GeV/c]

Work In Progress

黒：observed
赤：expected

実験感度（S/N）を決める要因
0.17±0.06 0.04±0.01
Point1
バックグラウンド数<- 十分な削減が必要
signal box blinded
0.77±0.16 0.36±0.11
Point2Signal(KL→π0νν)事象のAcceptance<- 最適化したい
1.57±0.170.0
rec. zvtx [mm]Single Event Sensitivity: 1.1x10-9(平均信号事象数が1になる分岐比)

2017/2/1910

2015年ランの解析状況

分岐比
10 -8

rec. π0 Pt [GeV/c]

Work In Progress

黒：observed
赤：expected

実験感度（S/N）を決める要因
0.17±0.06 0.04±0.01
Point1
バックグラウンド数<- 十分な削減が必要
signal box blinded
0.77±0.16 0.36±0.11
Point2Signal(KL→π0νν)事象のAcceptance<- 最適化したい
1.57±0.170.010 -9新物理？
10 -10rec. zvtx [mm]標準模型
Single Event Sensitivity: 1.1x10-9
10 -11 従来の解析：バックグラウンドの削減が中心→ Signal(平均信号事象数が1になる分岐比)
Acceptance の最適化も考える
2017/2/19

11

Acceptance 向上における課題：Accidental Loss
1) 2γ をカロリメータで検出

ヒット判定時間のマージン

veto window（数10ns）

2) veto検出器の信号を確認

信号あり→ veto時間

2017/2/1912

Acceptance 向上における課題：Accidental Loss
ヒット判定時間のマージン

1) 2γ をカロリメータで検出

veto window（数10ns）

2) veto検出器の信号を確認

信号あり→ veto時間

黒：KL BG起源
赤：その他

vetoveto

低レートveto検出器

2017/2/19

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Acceptance 向上における課題：Accidental Loss
ヒット判定時間のマージン

1) 2γ をカロリメータで検出

veto window（数10ns）

2) veto検出器の信号を確認

信号あり→ veto時間

黒：KL BG起源
赤：その他

veto

veto

低レートveto検出器
veto

veto

veto

veto

高レートveto検出器

2017/2/19

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Acceptance 向上における課題：Accidental Loss
ヒット判定時間のマージン

1) 2γ をカロリメータで検出

veto window（数10ns）

2) veto検出器の信号を確認

信号あり→ veto時間

黒：KL BG起源
赤：その他

veto

veto

低レートveto検出器
veto

veto

veto

veto

高レートveto検出器

2017/2/19

偶発的な veto による signal loss -> accidental loss
現在の解析：76% @ 42kW

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Acceptance 向上における課題：Accidental Loss
ヒット判定時間のマージン

1) 2γ をカロリメータで検出

veto window（数10ns）

2) veto検出器の信号を確認

信号あり→ veto時間

黒：KL BG起源
赤：その他

veto

veto

低レートveto検出器
vetoveto

veto

veto

高レートveto検出器

2017/2/19

Accidental Loss の削減☆ veto 検出器の低レート化☆ veto window 幅の削減

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ビーム中荷電粒子検出器のインストール

検出器の低レート化の取り組み

2017/2/19

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ビーム中荷電粒子検出器のアップグレード

BHCV

UPGRADE

ビーム中の中性子・γによる高レート環境⇒ ガス検出器に(低物質量化)
カウンティングレート： 65%減
→ accidental loss が 2%削減
2017/2/19

18

1次ビームの寄与の削減
標的（金）1次陽子ビーム

直進した1次ビーム
散乱粒子

2017/2/19

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1次ビームの寄与の削減
標的（金）直進した1次ビーム

1次陽子ビーム

散乱粒子

KOTO検出器群鉄円筒型veto検出器のレート
鉄

1次ビーム

KLビームあり4.38 MHz

KLビームなし

2.65 MHz

差分（KLビームの分）

1.7 MHz

1次ビームの寄与大2017/2/1920

1次ビームの寄与の削減
標的（金）直進した1次ビーム

1次陽子ビーム

散乱粒子

KOTO検出器群

鉄

円筒型veto検出器のレート
鉄KLビームあり4.38 MHz

KLビームなし

2.65 MHz

差分（KLビームの分）

1.7 MHz鉄ブロックの追加でさらに遮蔽 (2016年夏に作業)
2017/2/19

21

Veto Window 幅の削減に向けて

2017/2/19

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課題１：重複波形による不感率の増大
KL BG 起源の信号

太い window
細い window

別の波形が重なると細いwindow では veto できない重複波形をうまく分離する波形解析手法が必要

2017/2/19

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課題１：重複波形による不感率の増大
KL BG 起源の信号

太い window
細い window

別の波形が重なると細いwindow では veto できない重複波形をうまく分離する波形解析手法が必要
先行研究

2017/2/19

杉山泰之氏のスライドより（日本物理学会2014年9月）

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課題2：時間分布の理解
veto 検出器のヒット時間分布

KL BG起源その他

ヒット時間

最適な veto window「その他」を減らしつつ「BG起源」はVetoできるように設定-> ヒット時間分布を「正しく」理解することが必要
2017/2/19☆ BG のkinematics☆ 検出器の時間応答25まとめ・今後の展望• KOTO実験は 2015年に最初の物理ランの20倍のデータを取得し解析が進行中• 新物理が期待される感度の入口に到達する見込み• 新たな挑戦として信号 acceptance を積極的に改善する study を開始⇒ 検出器低レート化・Veto Window 最小化で低ロス・高感度化の実現を目指す！！
KOTO実験の今後の展望☆ より詳細な BG study → open box に向けて鋭意解析中！
☆ より強力な波形解析手法を用いた物理解析が本格始動！
☆ acceptance 改善 & ビーム強度増強でさらなる高統計を実現し新物理発見が期待される感度の探索を継続！
[KOTO実験のさらなる展望については次の講演（塩見）で]2017/2/1926

2015年4・5月ランエンド
KOTO実験コンテナにてThank You2017/2/1927