T2K実験における新型ニュートリノ検出器
INGRID Proton Moduleの研究開発
京都大学
木河達也
2010年2月23日
特定領域｢フレーバー物理の新展開｣研究会2010

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Introduction

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Neutrino interaction modes
Charge current quasi-elastic scatteringνµ + n → µ− + p
Neutral current elastic scatteringν µ + N →ν µ + N

Coherent π products
ν µ + X → l + X′ + π
Deep inelastic scatteringν µ + N → l + N ′ + m π (η , K)

Total (NC+CC)
σ/E (10-38cm2/GeV)

Single π(η,K) resonance products
ν µ + N → l + N ′ + π (η , K)

Cross sections

CC Total
CC quasi-elasticDIS
CC single π
NC single π0(l : lepton, N,N’ : nucleon, m : integer)
3Motivation

シンチレータCharge current quasi elastic (CCQE)−νµ + n → µ + p

鉄μ-νμpINGRIDでは陽子が鉄に止められてしまうため、ミューオンのTrackのみが再構成されている。

鉄のないモジュールをつくれば、陽子のTrackも再構成することができる。
目的：CCQEイベントを他のイベントと区別する。
ニュートリノフラックスを測定する。
⇒結果をINGRIDにfeedback

4

INGRID Proton Moduleの構造

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Base
INGRIDで使用されている1cm×5cmのシンチレータとK2K，SciBooneのSciBar検出器で使用されていた1.3cm×2.5cmのシンチレータを使用。(押し出し成型シンチレータ)
波長変換ファイバー、MPPC(Multi Pixel Photon Counter)読み出しということと、Electronicsは基本的にINGRIDと同じ。

5cm
2.5cm
1cm
1.3cm
INGRID

SciBar

左がSciBarのシンチレータ、右がINGRIDのシンチレータ

6Tracking plane
Tracking plane 1枚は16本のSciBarのシンチレータと16本のINGRIDのシンチレータからなる。
中心部でのresolutionをよくする
1203mmためSciBarのシンチレータを内側に 8 INGRID type配置する。
シンチレータの長 16 Scibar type
さは1203ｍｍ
8 INGRID type7

Tracking plane
Tracking planeの数はX plane 17枚とYplane 17枚の計34枚
X planeとY planeは交互に並べられる
各plane間の距離は23mm
Tracking planeの総重量は556kg
X Y X Y X Y X Y X Y X Y

823mm 23mm

Veto plane
Veto用のシンチレータはすべてINGRIDのシンチレータ
Front vetoはXとYの2planeでシンチレータは24X+24Yの48本
4方向のside vetoのシンチレータは1plane17本で計68本
シンチレータの長さは上、左、右のVeto planeは1250mm、前、下のシンチレータは1203mm
9Overview
総重量は1.4t(ニュートリノのターゲットとなる
Tracking planeの重量は556kg)
総channel数は1204
Tracking plane 1088
Veto plane 166
読み出しボートはModuleのコーナーに統合して取り付ける。
Moduleはパレットトラックで移動することができる。

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Installation position

ニュートリノビーム

INGRID vertical module
INGRID Proton Module

INGRID off-axis module

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INGRID horizontal module

INGRIDとの連携
Proton Moduleを突き抜けてしまうミューオンはProton
Moduleの下流にあるINGRID horizontal moduleで止めてレンジを測る。
SciBarMRD
K2K, SciBooneのSciBar,MRD(Muon Range Detector)と同じ原理。
Proton Module

INGRID horizontal moduleμνμp
12Monte Carloシミュレーション

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Expected number of eventsProton Moduleに入射する
ニュートリノのエネルギー分布
Muon neutrino
Anti muon neutrino
Electron neutrino
Anti electron neutrino

Total
7.7×1017(per 1×1021pot)

Neutrino energy (GeV)

Proton Moduleのtracking planeでのニュートリノ反応数のエネルギー分布# of interactions (/1×1021pot)# of neutrino (/1×1021proton on target)

Proton ModuleがINGRID vertical moduleの真後ろに置かれていて、3つある電磁ホーンがすべて250kAで稼動していて、 30GeVの陽子ビームが1×1021個ターゲットに打ち込まれた場合

Muon neutrino
Anti muon neutrino
Electron neutrino
Anti electron neutrino

Total
3.6×105(per 1×1021pot)

Neutrino energy (GeV)

14Install positionによる違い
INGRID vertical module
1234

Proton Module position
INGRID horizontal module# of interactions (/1×1021pot)

反応数のエネルギー分布
Position 1Position 2Position 3Position 4(/1×1021pot)

Position
1234

反応数
3.6×
3.6×105
3.3×
3.3×105
2.9×2.9×105
2.2×2.2×105
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Neutrino energy (GeV)Proton ModuleでのCCQE event

ν beamSide view

X position (mm)Y position (mm)Geant4を用いたシミュレーションで、Proton ModuleでCCQE eventがどのように見えるか確認した。

μ-p

Top view

ν beam16

Z position (mm)Z position (mm)Proton Moduleでのその他のevent
CC1ππ0（νμ+n→μ→μ-+p+ππ0）

Top view

Top viewpπ+

X position (mm)Side view
X position (mm)X position (mm)X position (mm)Side view

μ-CC1ππ+（νμ+p→μ→μ-+p+ππ+）

μ-pπ0→2γγ
Z position (mm)Z position (mm)pTop view

X position (mm)Side view

X position (mm)X position (mm)

NCE（（νμ+p→→ νμ+p ）Z position (mm)NC1ππ0（νμ+n→ν→νμ+n+ππ0）Side view

X position (mm)Z position (mm)Top view

nπ0→2γγ17Z position (mm)Z position (mm)Z position (mm)Z position (mm)Interaction modeの割合# of events

Vertical moduleの真後ろに置いた場合

Mode

Rate

CCQE

26%
26%

Interaction modeのエネルギー分布 (per 100000 events)

CC1π
CC1π26%

2000

CC1γ
CC1γ

0.02%
0.02%

1800

CC multi π13%

CC1η
CC1η

1.2%

CC1K

0.3%

CCDIS

7.7%

CC Total

74%

NCE

9.5%

NC1π
NC1π10%

NC1γ
NC1γ0.03%

NC multi π

3.5%

400

NC1η
NC1η

0.6%

200

NC1K

0.1%

NCDIS

2.3%

NC Total

26%

CCQE
CC1π

1600
1400

CC1γ
CC multi π
CC1η
CC1K
CCDIS

1200
1000800

NCE
NC1π
NC1γ
NC multi π
NC1η
NC1K
NCDIS

600

00123456789Energy (GeV)1018

今後の予定6月までにファイバー、MPPCなどの準備およびテスト。
7月にモジュールの組み立て、ケーブリング。
8月にモジュールのテスト、インストール。
秋～冬頃のビームランでProton Moduleでのニュートリノの初観測を目指す。

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Backup20

INGRID
INGRIDはT2K実験においてニュートリノの初観測に成功した前置ニュートリノ検出器である。
INGRIDは7個のvertical module, 7個のhorizontalmodule, 2個のoff-axismoduleの計16個のModuleからなる。

INGRIDでのT2K first neutrino event

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INGRID
Vertical module, horizontal moduleはインストール済みoff-axis moduleは未インストール (今年の8月にProton Moduleと一緒
Veto
Vetoにインストール予定)。
各モジュールは鉄とプラスチックシンチレータ層のサンドイッチ構造で鉄は9層，シンチレータは11層である。
Veto
Veto

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# of events

MPPC

MPPCから信号のADC分布0p.e.1p.e.
2p.e.

MPPC(Multi Pixel Photon
3p.e.
Counter)は浜松ホトニクス社ととADC countもに開発されたPhotosensorである。
Proton Moduleには1204個のMPPCが使用される。
MPPCの特徴・Active area : 1.3mm×1.3mm・ピクセル数 : 667
・Operation voltage : 約70V
・PDE@550nm:15％以上・Dark count:1.35MHz未満
・磁場中でも安定に動作

APD ピクセル
6mm

MPPC23波長変換ファイバー
シンチレータに波長変換ファイバーを埋め込み、青色領域のシンチレーション光をいったん波長変換ファイバーで吸収し、より減衰長の長い緑色領域の光を再発光させ、ファイバー内を伝搬させて、MPPCで読み出す。Proton Moduleでは全反射条件を満たす角度が大きいマルチクラッド型の波長変換ファイバーを使用する。
荷電粒子
再発光

シンチレータ
波長変換ファイバー
波長変換ファイバー

MPPC

シンチレーション光
シンチレーション光24

シンチレータの光量測定# of events# of events

京都大学のテストベンチで宇宙線を用いて、シンチレータの光量が十分であることを確認した。

SciBarのシンチレータからの光量

INGRIDのシンチレータからの光量

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Cross section(/cm2)

ニュートリノのシンチレータとのcross section
Muon neutrino
Anti muon neutrino
Electron neutrino
Anti electron neutrino26