A Study of Low Energy Spectrum in Accelerator-based Neutrino Oscillation Experiment

K2K 実験における低エネルギー・スペクトルについての研究

’05 12/19 田窪洋介

• ニニニニニニニニ• K2K 実験と低エネルギー・スペクトル• SciBar 検出器による低エネルギー・スペクトル解析• 振動解析• まとめ

ニュートリノ振動

= 1 cos + 2 sinx = - 1 sin + 2 cos

x のニニニニニニニニニ• , x : 弱い相互作用の固有状態• , ニニニニニニ• ニニニニニニニニ

m2 = m12 – m2

2)

振動確率 =

ニュートリノ・エネルギー (GeV)

質量二乗差 (eV2) 飛行距離 (km)

飛行距離 L を進んだ後にニニニニニニニニニ

t = 0

x

t = T

ニニニニ L

振動条件• , 2 が異なる質量を持つ• 混合角が 0 でない SK の大気ニ測定で発見

確かな方法で確認したい！

K2K 実験

Super-Kamiokande 前置検出器

電磁ホーン

モニター

モニター

崩壊トンネル(200m)

ダンプ(100m)

ターゲット

p

KE

K 1

2GeV

P.S

.

MRD(Muon Range Detector) SciFi

1kt

SciBar (LG)

250km ~1011/2.2sec~106/2.2sec~1event/2days

K2K 実験

• 世界初の加速器を用いた長基線ニュートリノ振動実験• SK での大気振動の結果を検証• KEK 12GeV P.S. を使用しニュートリノを生成• 98% の純度のニニニニニニ• 前置検出器と SK ニニ観測しニュートリノ振動を測定

K2K 実験における振動

SK での振動確率と Flux 分布 (MC)

振動あり

振動なしSK での振動の効果

事象数が減少する スペクトル分布に歪が生じる

振動確率 =

飛行距離が一定 (250km)

前置検出器で事象数と E 分布を測定• SK での事象数とニニニニニニニ• SK の観測結果と比較し、ニニニニニ

振動がある場合

実験原理

K2K 実験における E ニ測定

p

準弾性散乱反応

非弾性散乱反応

エネルギーの再構成 ： • 準弾性散乱反応 (CCQE) を用いる

• 非弾性散乱反応 (nonQE) がバックグラウンドとなる　

p

cos

2/2

PEm

mEm

n

n

recE

終状態が２体なのでの角度と運動量から E ニ再構成が可能

スペクトルの測定には nonQEの混入量の見積もりが必要 と p の両方を捕らえる事が必須

CC 事象

NC 事象

p

低エネルギー事象の重要性• E ~ 0.6 GeV で振動の効果が最大

• 前置検出器と SK での (Near/Far) フラックス比

E>1GeV : モニターで MC の妥当性を確認 E<1GeV : MC だのみ

• 1kt 検出器 低エネルギーに感度有り ニニニニニニCCQE と nonQE の見積もりは MC だのみ

• SciFi 検出器低エネルギーに弱い (E>0.6GeV)

• SciBar 検出器 低エネルギーに感度有り ニ p が両方見える

前置検出器での 1GeV 以下の低エネルギー領域のスペクトル測定が重要！

前置検出器の比較

SciBar での低エネルギーの観測は他の検出器とのチェックにも重要

SciBar 検出器• 押し出しシンチレータ

1.3x2.5x300 cm3

15000 本• シンチレータ自身がニュート

リノ・ターゲット 不感領域がない

• 10 cm のトラックまで検出可能

低エネルギーに感度有り• dE/dx 　によって p とニニニCCQE に対して高感度non-QE バックグラウンドを

識別• 電磁カロリー・メーター (~

11X0)

Extrudedscintillator(15t)

Multi-anodePMT (64 ch.)

Wave-lengthshifting fiber

EM calorimeter

1.7m

3m

3m

1kt 水チェレンコフ検出器

MRD

ニニニニの流れ

• データ・サンプルの作成 SciBar SciFi 1KT

• スペクトル・フィッティング フィッティング・サンプルの定義 各サンプル間の系統誤差の評価 (p, ）分布を MC テンプレートでフィッティング

前置検出器によるスペクトル測定

低エネルギー・サンプル

振動解析• Maximum likelihood method

• Near/Far フラックス比の算出• SK でのイベント数の予測

SciBar データ・サンプルの作成

SciBar イベント選択MRD 事象MRDSciBar EC

• トラックが MRD で止まっている• これまでの解析に用いられてきた• E>0.5GeV

• トラックが SciBar 内で止まっている• E>0.3GeV

SciBar ストップ事象MRDSciBar EC

MRDSciBar EC

EC ストップ事象• トラックが EC で止まっている• E>0.4GeV

新しいイベント・カテゴリー 低エネルギー事象を増やすために、新

たに２つのイベント・カテゴリーを作成した。

イベント・ディスプレイMRD 事象 SciBar ストップ事

象SciBar MRD SciBar MRD

p

p

EC ストップ事象

SciBar MRD

EC

EC

EC

SciBar ストップ事象

0 100 200

SciBar ストップ事象• 加速器起源のバックグラウンド

中性子起源の p とからの p : dE/dx 情報で識別可 : 100cm 以下のトラックに混入

• NC 事象の混入 全体の 30% が NC 事象 100cm 以下のトラックに混入 K2K での NC の誤差は ~30% MRD 事象では 2% のみの混入

sec

cm

CCQECC1CCmNCData

SciBar タイミング分布

データ取得

バックグラウンド

SciBar ストップ事象では NC の理解が必要

SciBar 内トラック長分布

SciBar ストップ NC 事象NC 事象

100cm 以上のトラックを用いて NC 事象と B.G.を除去

CCQE からのニニニニニニニ

GeV/c

NC1

NCm

GeV/c

ニニニニニニニニNC からのニニニニ

MC MC

CCQE

• 1GeV 以上のニュートリノ反応• SciBar 内でのトラック

ニニニ : 37%

• NC 事象からのニニ CCQE からのニニニニニニニニニニニ• 1GeV 以上の NC 事象は低エネルギー CCQE 事象として再構成される。

p 分布はフィット前でデータと MC でよく合っている。

p

SciBar ストップ事象の p ニニ

EC ストップ事象EC ストップ事象

• NC 事象の混入 全体の 25% が NC100cm 以下のトラックに混入 ニ, ニニニニニニニニニニニ1GeV 以上のニュートリノ反応

CCQECC1CCmNCData

SciBar 内トラック長分布

cm100cm 以上のトラックを用いることで NC 事象を除去

p

degreeGeV/c

p 分布はフィット前でデータと MC で概ね合っている。

SciBar データ・サンプルのまとめ

• MRD 事象 : 11,562 (CCQE : 54%,CC1 : 35%, CCm : 9%, NC : 2%)

• EC ストップ事象 : 203 ( CCQE : 34%, CC1 : 46%, CCm : 13%, NC : 7%)

• SB ストップ事象 : 821 (CCQE : 37%, CC1 : 43%, CCm : 12%, NC : 8%)

MRD サンプルのみに比べ、 1GeV 以下の CCQE の数は 30% 増加した。

データ・サンプルのまとめ

MRDSciBar ストップ

EC ストップ

CCQEの trueE (MC) CCQEのEfficiency(MC)

低エネルギー CCQEの Efficiency(MC)

Total

MRD のみ

MRD +SciBar ストップ

0 1 2 3

0 0.5 1 E (GeV)

Eff

icie

ncy 1

0.5

スペクトル解析

フィッティング・サンプル

deg.

ニニニニ p 分布 (MRD サンプル )

QE豊富 nonQE豊富

p

QE で予想される方向

観測された方向CCQE

CC1CCmCC coherent

Data• MRD+EC ストップ・サンプル

- 1-track- 2-track QE豊富- 2-track nonQE豊富

• SB ストップ・サンプル

SciBar

• K2K-I MRD• K2K-II LG ストップ• K2K-II MRD

SciFi

1KT• Fully-contained 1-ring -like

- 1-track- 2-track QE豊富- 2-track nonQE豊富

14 のサンプルでスペクトル・フィッティングを行う

スペクトル・フィッティングCCQE サンプル

nonQE サンプル

MC テンプレート (SB 1-track)

データ (SB 1-track)

F(1) x

F(2) x

F(8) x

Ndata(i,j)

Ndata(i,j)

N1,QE(i,j)

N2,QE(i,j)

N8,QE(i,j)

RnQEN1,nQE(i,j)

RnQEN8,nQE(i,j)

RnQEN3,nQE(i,j)

NMC(i,j) = F(k) [Nk,QE(i,j) + RnQENk,nQE(i,j)]k

0-0.5GeV 0-0.5GeV

0.5-0.75GeV 0.5-0.75GeV

3.0- GeV 3.0- GeV

• (p) 分布でフィッティング• MC テンプレート

QE サンプル nonQE サンプル

• フィッティング・パラメータ

各 Eビンの重み : F(i) QE/nonQE 比 : RnQE 系統誤差パラメータ

2 fitting

pi

j

• F(1) : 0-0.5 GeV • F(2) : 0.5-0.75 • F(3) : 0.75-1.0 • F(4) : 1.0-1.5 • F(5) : 1.5-2.0 • F(6) : 2.0-2.5• F(7) : 2.5-3.0• F(8) : 3.0-• Rnqe

1.712 ニ 0.4211.095 ニ 0.0731.146 ニニ0.0591 0.917 ニニ0.0401.051 ニニ0.0531.179 ニニ0.1361.242 ニ 0.1800.958 ニニ0.035

前置検出器で測定した E 分布

1.043 ニ 0.2231.118 ニニ0.131 0.961 ニニ0.0690.985 ニニ0.0821.450 ニニ0.1951.186 ニニ0.086

1.166 ニ 0.2541.133 ニニ0.136 0.964 ニニ0.0700.970 ニニ0.0831.470 ニニ0.1981.234 ニニ0.096

低エネルギー事象なし

• 低エネルギー・サンプルにより 0.5-0.75GeV の誤差が 3%改善• SciBar の低エネルギー領域の誤差は統計で決まっている• SciBar の低エネルギー領域のスペクトルは他検出器と矛盾なし• スペクトルは振動解析に用いられる。

SciBar のみ低エネルギー事象有り

全検出器

フィッテングの結果

振動解析

振動解析の方法

Ltotal = Lnorm. x Lshape x Lsyst.

フィッティング・パラメータ• (sin22, m2)• スペクトル・パラメータ (F(i))• QE/nonQE 比 (RnQE)• 系統誤差パラメータ

ニュートリノ事象数とスペクトルの形を用いた maximum likelihood フィッティング

SK での事象数(112)

予想事象数( 振動なし : 156)

Poisson 統計

事象数の loglikelihood

スペクトルの形を決める likelihood

SK で recE ニニニニニニニニニニニニニニニ

ニニニニニニニニニニニニニニニニ

系統誤差パラメータに制限をかける likelihood

振動解析の結果The best fit : (sin22, m2) = (1.0, 2.8 x 10-3)

データ 振動なしの場合にこの結果を観測する確率は 0.003% 以下 (4.2 )

振動有りの best fit

sin22

m2 [

eV2 ]

振動パラメータの可能領域

振動無しの best fit

SK での recE ニニ

SK での大気の結果と矛盾なく一致

1.5x10-3 < m2 < 3.4x10-3 eV2

sin22> 0.92 　　　 (90% C.L.)

まとめ• K2K 実験では ~0.6GeV の低エネルギー領域で振動

の効果が最大となる– 前置検出器での低エネルギー・スペクトルの測定が重要

• SciBar 低エネルギー事象サンプルを作成した– 1GeV 以下の CCQE 事象が 30% 増加

• SciBar 低エネルギー・サンプルを用いてスペクトル解析を行った。– SciBar における 0.5-0.75 GeV の誤差が 3%改善した– 現在、 SciBar の低エネルギーの誤差は統計が決めてい

る。– 低エネルギー領域のスペクトルが他検出器と矛盾のない

ことを確認• 振動解析により大気ニニニニニニニニニニニニニニニ

– 4.2 ニニニニニニニニ

おまけ

SciBar ストップ事象の vertex 分布

xy

z

SciBar

vertex 分布もフィット前でデータと MC でよく合っている。

フィット前

CCQECC1CCmNCData

SciBar のフィッティング・パラメータ

• SciBar の運動量スケール : =1.0% ビーム・テストにて確認

• SB ストップ /MRD 事象比 : 6.6 % MRD 事象によるデータと MC の事象数の規格化の誤差

誤差行列

• 8 bins of E• nonQE

• MRD の運動量スケール : =2.7%

• 1-track/2-track 比 : 4.1, -5.9% 1-track 事象と 2-track 事象間の行き来

• 2-track nonQE/QE 比 : 5.1, -5.8% 2-track QE 事象と nonQE 事象間の行き来

MRD+EC サンプル

SB ストップ・サンプル

共通のフリー・パラメータ

Free parameters

0.0035 0.0003

0.0003 0.0034

系統誤差パラメータ

フィッティング条件による Rnqe のずれ

フラックス・パラメータを Merged フィットのベスト・フィット値に固定して各フィット条件での Rnqe

の値を確認0.96 0.76 0.96 1.07

ニ20%

Rnqe に 20% の系統誤差を追加

Sky-shine background-like

Proton-like

SB (MRD+EC) の p, q2 分布 ( フィッティング前 )

SciFi の p, q2 分布 ( フィッティング前 )

1KT の p, q2 分布 ( フィッティング前 )

RCNT/MRD の系統誤差

Physics (+4.2, -4.2) • MA(CCQE) (MA=1.01, 1.21) • MA(CC1) (MA=1.01, 1.21) • int. out of nucleus (ニ10%)• inel. (ニ30%) • abs. (ニ30%) • p re-scat. (ニ10%) • (NC) (ニ30%)

• PMT resolution (120%)• X-talk (1.6%, 4.0%) • Threshold (+15%) • PID stability (ニ0.03)• MuCL distirubution• Scintillator quenching (ニ0.0023)• MRD matching efficiency

Detector (+4.4, -5.1)

+0.2 -0.5

+1.6 -2.1+0.5 -1.3+2.2 -1.7+1.2 -1.7+1.6 -0.0+2.4 -2.4

-2.8+1.2 -1.2 -1.0+0.5 -0.7+1.6 -1.6+3.3 -3.0+2.0 -2.0

物理と検出器において非常に優位な系統誤差はない .

ニニニニニニニニニニ

SB (MRD+EC) の p, q2 分布 ( フィッティング後 )

MRD+EC SBCNT

SciFi の p, q2 分布 ( フィッティング後 )

1KT の p, q2 分布 ( フィッティング後 )

振動パラメータに対する制限