Double Chooz実験によるニュートリノ振動解析の最新結果

石塚正基（東京工業大学）
2011年11月24日
京都大学セミナーニュートリノ振動• ゼロでない有限の質量• 弱い相互作用の固有状態と質量の固有状態の混合➙ニュートリノ振動
c =cosθ , s =sinθ
ij

0  c13s23  0
c 23 −s13e iδν e  1 0  ν µ  = 0 c 23  0 −sν τ  
23

θ23:
P(νµ→νµ) by
Atm. ν & ν beam€

0 s13e−iδ  c12
10  −s120c13  0

θ13:
P(νe→νe) by Reactor νθ13& δ:P(νµ→νe) by ν beam

θ12, θ23, θ13
δ（CP対称性の破れ）
Δm122, Δm232

２世代振動の場合:

1.27 × Δm 2 [eV 2 ] × L [m]P(ν α → ν α ) = 1− sin 2θ sin E[MeV]

22ijij0 ν1  0ν 2  1ν 3 θ12:P(νe→νx) by
Reactor ν & solar νニュートリノ振動パラメータ:
混合角:
位相:
質量差:

s12c120ij

sin22θ
Δm2

ニュートリノ振動パラメータ測定の現状• 質量差• Δm212 ~ 8x10-5eV2• |Δm322| ~ |Δm312|~2.5x10-3eV2• 混合角• θ12 ~ 34o• θ23 ~ 45o• θ13 < 12o (sin22θ13 < 0.15)• CP対称性の破れ➙未測定• 質量の階層問題➙未測定• 質量絶対値➙未測定

ニュートリノ振動パラメータ測定の現状• 質量差• Δm212 ~ 8x10-5eV2• |Δm322| ~ |Δm312|~2.5x10-3eV2• 混合角• θ12 ~ 34o• θ23 ~ 45o• θ13 < 12o (sin22θ13 < 0.15)• CP対称性の破れ➙未測定• 質量の階層問題➙未測定• 質量絶対値➙未測定

ニュートリノ振動実験では混合角との組み合わせが測定量となる➙測定の実現のためにはθ13の値を知ることが必要不可欠θ13測定実験：２つのアプローチ
 原子炉ニュートリノ実験: Double Chooz, Daya-Bay, RENO…
2
22 Δm 31L
−3P [ν e → ν e ] ≅ 1− sin 2θ13 sin  + O(10 ) 4E 
• θ13に対してのみ感度を持つ
 ニュートリノビームを用いた長基線ニュートリノ実験: T2K, NOvA …

€[P ν µ (ν µ ) → ν e (ν e )]a(x) = 2GF N e (x)J r ≡ c12 s12c132 s13c 23 s23

€
€

222
 Δm 31  Δm 31
L 1 2L
22 Δm 21L
= sin 2θ s sin  − s12 sin 2θ13 s23  sin

 4E  2
 2E   2E 2222
 Δm21
 Δm21L   Δm 31
LL  2  Δm 31
L
+ 2J r cos δ sin
  4J r sin δ sin 
 2E   2E  2E 
 4E 2 2  Δm 31L
22 4 Ea(x)± cos2θ13 sin 2θ13 s23 sin2 4E 
 Δm 31 2213 232222
 Δm 31
 Δm 21a(x)L 2L
L
222sin 2θ13 cos2θ13 s23 sin + c 23 sin 2θ12 
2
 2E 
 4E 

• θ13, δCP, mass hierarchy, θ23 に対して感度を持つ➙パラメータ縮退によるθ13に対する不定性は避けられない• 将来的にはニュートリノビーム、反ニュートリノビームを用いた測定の組み合わせによりδCP, mass hierarchyの測定の可能性

パラメータ縮退効果

不定性電子ニュートリノ出現現象（non-zero θ13）の兆候：
T2K実験（2011年6月）• 2.5σ significance of non-zero θ13• 0.03 (0.04) < sin22θ13 < 0.28 (0.34) at 90% C.L. for normal (inverted)hierarchy (Δm223=2.4 x 10-3 eV2, δCP=0, sin22θ23=1.0を仮定)

原子炉ニュートリノ実験によるθ13の測定
2
 Δm 31L−3P ν e → ν e ≅ 1− sin 2θ13 sin  + O(10 ) 4E []Δm312€

22sin22θ13sin 2 2θ13 = 0.12Δm31
= 2.5 ×10−3 eV 2€•

1km程度の距離においては２世代振動で仮定できる– 振動確率P(νe→νe) は Δm312と θ13 の関数となる– 距離が短いため物質効果は無視できる– 振動確率はCP対称性の破れ（δCP）に依存しない➙ 振動確率から直接θ13が決定される

次世代原子炉ニュートリノ実験2
 Δm 31L−3P ν e → ν e ≅ 1− sin 2θ13 sin  + O(10 ) 4E []22

２基の検出器を原子炉から異な距離に設置
ニュートリノフラックス
 標的陽子数 検出器特性 検出効率に起因する系統誤差を相殺➙精密測定€sin 2 2θ13 = 0.1
2Δm31= 2.5 ×10−3 eV 2€

νeChooz原子炉
4.27GWth x 2 cores

前置検出器<L> 400m
450ν/day
120m.w.e.
Early 2013

後置検出器
<L> 1050m
65ν/day
300m.w.e.
April 2011

次世代原子炉ニュートリノ実験2
 Δm 31L−3P ν e → ν e ≅ 1− sin 2θ13 sin  + O(10 ) 4E 

[]22

Far/Near比（３年間）
Simulation€

sin 2 2θ13 = 0.1

sin 2 2θ13 = 0.1

2Δm31= 2.5 ×10−3 eV 2€

2Δm31= 2.5 ×10−3 eV 2€

νeChooz原子炉
4.27GWth x 2 cores

前置検出器<L> 400m
450ν/day
120m.w.e.
Early 2013

後置検出器
<L> 1050m
65ν/day
300m.w.e.
April 2011

Double Chooz 原子炉ニュートリノ実験

νe
Chooz原子炉
4.27GWth x 2 cores

前置検出器<L> 400m
450ν/day
120m.w.e.
Early 2013

後置検出器
<L> 1050m
65ν/day
300m.w.e.
April 2011

Double Chooz 共同研究者

Double Chooz共同研究者会議＠神戸大学

原子炉ニュートリノ測定原理• 反電子ニュートリノの逆ベータ崩壊反応を検出ν e + p → e+ + n• 反応のしきい値：1.8MeV• 事象数：65 events/day (後置検出器)€

２つの同期信号を要求することによりバックグラウンドを大幅に低減
初期信号：陽電子およびその対消滅（1-8MeV）
ニュートリノエネルギー： Eν = Evis + 0.8MeV
後発信号：
ガドリニウム原子核の中性子捕獲に伴うガンマ線（8MeV)
２つの信号の時間差：
τ = 30 µsec

Double Chooz検出器

Double Chooz検出器

Outer Veto（プラスチックシンチレータ）

宇宙線ミューオンによるバックグラウンドの同定

Steel shield (15cm thick)
Inner Veto
（90m3 液体シンチレータ & 78 PMTs）
宇宙線ミューオンによるバックグラウンドおよび高速中性子バックグラウンドの同定

Steel Vessel & PMT support structure
Buffer（110m3 ミネラルオイル & 390 PMTs）
高速中性子バックグラウンドおよびPMTから発生する環境ガンマ線の遮蔽

Acrylic Vessel
γ-Catcher（22.3m3 液体シンチレータ）
n-Gd captureによる計8MeVのガンマ線のエネルギーの測定

ν-Target（10.3m3 Gdを含む(1g/l)液体シンチレータ）
ニュートリノ事象に対する有効体積
n-Gd captureにより計8MeVガンマ線を発生

スケジュール
2008年5月 – 2010年10月
2010年12月
2011年4月

2011年7月

後置検出器建設完了
液体シンチレータ注入完了
後置検出器試運転完了
物理データ取得開始
前置検出器建設に向け掘削開始
Outer Veto運転開始

2011年11月

最初のニュートリノ振動解析結果

2012年6月
2013年初頭

前置検出器ラボ完成
前置検出器完成
２基の検出器による測定開始

Construction @ DC far lab.

Inner veto PMT installedBuffer PMT installed

Installation of acrylic vesselTarget and γ-catcher
acrylic vessels installedBufferγ-catcher
TargetLid closureAll PMT equippedSteel shield installedOuter Veto partially installedOuter Veto commissioned

Preliminary

Data taking

Electronics
HV-Splitter

Photomultiplier tubes
ID: 390 PMTs (R7081MOD)
IV: 78 PMTs (R1408)

sig.

Frontend Electronics

customsig.

(by CIEMAT)

custom (by Drexel U. & LLNL)

HV

HV

HV-Supply
SY1527LC & A1535P(by CAEN)

Trigger & Clockcustom(by RWTH-Aachen)ν-FADCVX1721(by CAEN&APC)µ-FADC
custom(by CBPF)

Trigger pattern & clock+ OV readout(Hamamatsu M64 + Maroc2-chip)νDAQ
MVME3100 (by Emerson)

implemented in Ada

Flash-ADCによる信号波形

イベントディスプレイ（~8MeV）

Double Chooz Preliminary

Data taking efficiency

Fraction of analyzed data

Run Time: 101.5234 days from April 13th to September 18th
Live Time : 96.823 days (1 ms muon veto)Neutrino flux

ニュートリノフラックス計算
期待されるニュートリノ事象数
exp"N

N p # Pth (t)(E,t) =% &f
2 %
4$ L
Ef

核分裂あたりの平均エネルギー（k=235U,238U,239Pu,241Pu）

E f = ∑α k (t) E kk!

核分裂あたりの平均生成断面積€"f = "f#"f!

kBugey+ % (# kDC (t) $ # kBugey (t) ) " fk= $ dE Sk (E) " IBD (E)0

Bugey4実験のニュートリノフラックス測定値を元にChooz原子炉の燃料比などを補正して計算!

kニュートリノフラックス計算
Bugey4

241Pu1

238U-1! ( fission .Mev-1 )核分裂あたりのエネルギースペクトルとChooz原子炉内の燃料比

10239Pu
235U
-1

10-2

Preliminary

10-3
2

3

45

678

E ! (MeV)

Thermal power
Thermal power (GW)

Preliminary
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0

Core B10.5

Core B20.0 020406080100120140160
Days after April 13, 2011

系統誤差0.46%

フラックス計算の系統誤差
NpPreliminaryL

Pth"Bugey

Eper fission"per fission!

1.7% total error

TOTAL
00.2 0.4 0.6 0.8

11.2 1.4 1.6 1.8
Relat Error (%)(Bugey 4の測定を使わない
場合：2.7%)

Calibration

LED calibration system• LED光源からの光をファイバーを通して検出器内に照射• 検出器内に恒久的に設置されているため、検出基特性の時間変動のキャリブレーションに用いられる

エネルギーキャリブレーション• Z-Axis systemにより68Ge陽電子線源を検出器中心に配置• 対消滅による計1.02MeVのガンマ線（逆ベータ崩壊の信号の最小エネルギーに相当）

Preliminary

エネルギーキャリブレーション• Guide-tube systemにより68Ge陽電子
線源をγ-catcherに配置• Targetとγ-catcherの発光量の比較（γ-catcherに用いる液体シンチレータはTargetとほぼ同じ発光量になるように調整してある）

PreliminaryNon-linearity correction
PreliminaryNeutrino selection• Prompt signal• Delayed signal• CoincidenceMuon veto:

Selection criteria (1)• Δtµ > 1msec

Prompt Event:• Qmax/Qtot < 0.09 & RMS(Tstart)<40 ns• 0.7 < E < 12 MeV

Delayed Event:• Qmax/Qtot < 0.06 & RMS(Tstart)<40 ns• 6 < E < 12MeV

νeCoincidence:• Time coincidence: 2 < Δt < 100µs• No space coincidence cutMultiplicity:• No trigger (>500keV) within 100µsec before prompt• Only one trigger (>500keV) within 400µsec after promptNeutrino selection• Prompt signal• Delayed signal• CoincidenceTrigger thresholdPrompt
energy cut

Minimum energyof neutrino signal• Trigger efficiency• 50% @ 350keV• 100+0-0.4% above 700keV• Prompt energy cut efficiency > 99.9%

Neutrino selection• Prompt signal• Delayed signal• CoincidenceDelayed energy cut

Efficiency of delayed signal: 86.0 ±0.6 %Neutrino selection• Prompt signal• Delayed signal• CoincidenceTime coincidence• KeV neutrons thermalized within a few µs➙ captured on Gd with τ = 27µs
• Efficiency within [2,100] µs: 96.5 ±0.5 %Data quality

Prompt energy vs. delayed energy

Reconstructed vertex positions

PromptDelayeddR: prompt vs. delayed

Neutrino candidate: event rate

• Background not subtracted➙ good agreement indicates low background level

BackgroundCosmic muon rate
Inner Detector: 13Hz

Preliminary

Inner Veto: 46Hz

Preliminary

Accidental BG
Single spectrumPreliminaryγAccidental BG
Prompt energy after
off-timing coincidenceγ

Preliminary

Rate: 0.332 ±0.004 events/day

Correlated BG:
宇宙線ミューオンによる核破砕事象
宇宙線ミューオンによる核破砕反応により9Li, 8Heなどが生成➙約200msecの崩壊時間で中性子放出を伴うベータ崩壊
9Li → e- + n + 8Be (n + e- < 11.9MeV)

Preliminary
600MeV以上の高エネルギーミューオンとの時間相関からBG事象数を見積もる➙ Reactor OFF の測定結果と一致

Rate: 2.3 ±1.2 events/day

Correlated BG: 高速中性子
初期信号：
高速中性子による反跳陽子
後発信号：
Gdの中性子吸収に伴うガンマ線

Preliminary

高エネルギー領域のバックグラウ
ンドスペクトルから見積もる

Rate: 0.7 ±0.5 events/dayReactor OFF data• 原子炉が２基ともOFFの状態で約１日分のデータを取得• 3事象がニュートリノ選定条件を通過
1. Eprompt=9.8 MeV, Δt=201msec from showering muon(>600MeV), vertex close to muon track (15.4cm)
2. Eprompt=4.8 MeV, Δt=241msec from showering muon,vertex close to muon track (27.9cm)
3. Eprompt=26.5 MeV, no showering muon within 5sec

バックグラウンドの見積もりとReactor OFFの測定が一致

Neutrino oscillation analysis

Systematic errors

Preliminary

SourceUncertainty

Target free H

0.3%

Trigger efficiency

0.5%

Neutrino Selection

Efficiency

Prompt event

99.9%

0

Delayed event

86.0%0.6%

Time coincidence

96.5%

0.5%

Energy cut

94.5%

0.6%

Live-time

MC correction

Muon deadtime

0.955

0Multiplicity

0.995

0Gd fraction

0.98

0.6%

Spill in/out

0.993

0.4%

2
Definition of χResults

Rate Only:
Rate & Shape:

sin22θ13 = 0.093 ±0.029(stat) ±0.073(syst)
sin22θ13 = 0.085 ±0.029(stat) ±0.042(syst)

Results
Rate & Shape

Preliminary

Rate Only:
Rate & Shape:

sin22θ13 = 0.093 ±0.029(stat) ±0.073(syst)
sin22θ13 = 0.085 ±0.029(stat) ±0.042(syst)

Combined analysis:
T2K+Double Chooz

Combined analysis:
T2K+MINOS+CHOOZ+Double Chooz

Sensitivity

Near detector construction in progress!!

他の原子炉ニュートリノ実験と比較
Double Chooz

Daya BayRENO

923 m.w.e
120 m.w.e

ν-target10t ×2400m

ν-target20t ×8481m

1,985

4.27GWth

230 m.w.e
291 m.w.em

2.3GWth

1,050m
2.9GWth300m.w.e

P=8.2GWth/2
L=1.05km
δsin22θ13=0.03
Far データ収集中
2011年11月 first result

255 m.w.e
360m

P=11.6GWth/4
17.4GWth/6(2011~)
L~1.8kmδsin22θ13=0.01
Nearデータ収集中

ν-target20t ×2675m.w.e

P=16.1GWth/6
L~1.4kmδsin22θ13=0.02
Near+Far
データ収集中原子炉ニュートリノ実験の相補性
Δm213の独立測定

結論• Double Chooz実験は2011年4月から物理データの取得を開始した。
• 今回は約100日分のデータを用いた最初のニュートリノ振動解析の結果を報告した。
Rate+Shape: sin22θ13 = 0.085 ±0.029(stat) ±0.042(syst)• 2013年には前置検出器を完成させ、２基の検出器での測定を開始➙ sin22θ13< 0.03の感度で精密測定を目指す。

Backup

Light noise