ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積 と...
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11
ニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ振動実験で測定されたニュートリノ-原子核反応断面積ニュートリノ-原子核反応断面積
ととT2K near detectorT2K near detector
中家 剛(京大理)中家 剛(京大理)
日本物理学会 2007 年春3 月 27 日@首都大学東京
K2KK2K
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22
始めに始めに ニュートリノと原子核反応(~ニュートリノと原子核反応(~ GeVGeV 領域)領域)
古い物理:古い物理: ~1980~1980 年頃に主に泡箱で測定された。年頃に主に泡箱で測定された。 現在電弱相互作用は高精度で検証されている。現在電弱相互作用は高精度で検証されている。 少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。少ない統計。系統誤差の考慮があまりされていない。 ニュートリノビームの不定性も大。ニュートリノビームの不定性も大。
最近脚光を浴びている。最近脚光を浴びている。 ニュートリノ振動実験のために高精度なデータが必要。ニュートリノ振動実験のために高精度なデータが必要。 実験データの存在が必要不可欠実験データの存在が必要不可欠 原子核のモデル化、➪原子核のモデル化、➪
汎用シミュレーターの開発汎用シミュレーターの開発
pp
<<<<<<
n p
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33
Series of WorkshopsSeries of Workshops
NuInt07NuInt07
Gran Sasso
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44
ContentsContents1.1. K2KK2K 実験と実験と T2KT2K 実験実験2.2. ニュートリノ・原子核反応断面積(ニュートリノ・原子核反応断面積( K2KK2K 実験)実験)
1.1. K2KK2K ビームと前置ニュートリノ測定器ビームと前置ニュートリノ測定器2.2. CC Quasi-ElasticCC Quasi-Elastic 反応反応3.3. CC/NC-1CC/NC-1 反応反応
1.1. NC 1NC 100
2.2. CC-coherent CC-coherent
4.4. Nuclear de-excitation Nuclear de-excitation and NC elastic and NC elastic5.5. Expected new results from K2KExpected new results from K2K
3.3. T2K Near DetectorsT2K Near Detectors (( T2KT2K 実験)実験)1.1. T2K T2K Beam Beam2.2. T2K ND280 with New TechnologyT2K ND280 with New Technology
4.4. SummarySummary
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55
1. K2K and T2K1. K2K and T2K
J-PARCJ-PARC
K2K (KEK to[2] Kamioka)K2K (KEK to[2] Kamioka) 1999~20051999~2005 世界初の長基線ニュートリノ振動実験。世界初の長基線ニュートリノ振動実験。 ニュートリノ振動を確認。ニュートリノ振動を確認。
T2K (Tokai to[2] Kamioka) 2009~T2K (Tokai to[2] Kamioka) 2009~ 世界最高感度の加速器ニュートリノ振動実験世界最高感度の加速器ニュートリノ振動実験
KEKKEK
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66
2.2. ニュートリノ・原子核反応断面積(ニュートリノ・原子核反応断面積( K2KK2K実験)実験) K2KK2K 実験からの物理論文実験からの物理論文
ニュートリノ振動:6編ニュートリノ振動:6編 PRD74(2006), 072003 {39 pages long}PRD74(2006), 072003 {39 pages long}
ニュートリノ反応断面積:3編ニュートリノ反応断面積:3編 NC-1NC-100 の生成断面積の生成断面積
T2KT2K 実験における電子ニュートリノ探索のバックグラ実験における電子ニュートリノ探索のバックグラウンドウンド
NCNC 反応を選択(ニュートリノフレーバーに依らない)反応を選択(ニュートリノフレーバーに依らない) CC coherent CC coherent の探索の探索
ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(バックグニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(バックグラウンドの理解)ラウンドの理解)
CC Quasi-ElasticCC Quasi-Elastic 反応の反応の Axial Vector MassAxial Vector Mass の測定の測定 ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(信号の理ニュートリノエネルギー測定の信頼度向上(信号の理
解)解)
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77
GeV領域のニュートリノエネルギー測定 GeV領域のニュートリノエネルギー測定
cospEm
mEmE
N
N
22
+ n → + p -
p
(E, p)
QE
inelastic
CC quasi elastic (QE) CC inelastic
+ n → + p +
-
p
(E, p)
’s
ニュートリノエネルギーは終状態のみから測定可能。入射エネルギーは分からな
い。 終状態
準弾性散乱( ~50% )非弾性散乱( ~50% )
➪ 各種のニュートリノ反応の理解が重要。
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88
2.1 K2K2.1 K2K ビームと前置ニュートリノ測定器ビームと前置ニュートリノ測定器
K2K BeamK2K Beam ~98% pure ~98% pure beam with <E>~1.3GeV beam with <E>~1.3GeV
K2K Near DetectorsK2K Near Detectors 4 detectors with H4 detectors with H22O, HC and Fe targets.O, HC and Fe targets.
Lead Glass or
K2K beam
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99
2.2 CC Quasi-Elastic2.2 CC Quasi-Elastic 反応の研究反応の研究 -- -- ニュートリノエネルギー測定の主チャンネニュートリノエネルギー測定の主チャンネルーールーー
Scintillation Fiber planes aScintillation Fiber planes and Water Target sandwich nd Water Target sandwich trackingtracking detector detector PP > 600 MeV/c > 600 MeV/c
PPpp > 600 MeV/c > 600 MeV/c not always seennot always seen
pCC-QE candidate event
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1010
4
22
222
2
222
2 8 nn
cFnQECC
m
usqC
m
usqBqA
E
Gm
dq
d)()()(
cos
222
2
1
27201
)(
.)(
A
AMq
qF
( * )A,B,C は q2 、 F1V 、 F2
v 、 FA
の関数。
ニュートリノビームの絶対フラックスを高精度で見積もるのは困難(不可能?)
d/dq2 の分布の形で MA
を測定する。
Axial-Vector Form Factor with a dipole approximation.(only given from scattering)
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1111
MA= MA= 1.20±0.12 GeV/c1.20±0.12 GeV/c22
Largest systematic errorsLargest systematic errors Muon momentum scale: Muon momentum scale: 0.070.07 neutrino beam flux:neutrino beam flux: 0.070.07
not used in fit (nuclear effect)
22 2 mpEEQ QEQE cos
cospEm
mEmE
N
NQE
22
with
QQE2 (GeV/c) 2 QQE
2 (GeV/c) 2
One-track events. Two-track QE events.
(a proton with QE kinematics)
PRD74(2006), 052002
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1212
Discussion w/ the past measurementsDiscussion w/ the past measurements
We measured MWe measured MAA from the from the qq22 shape. shape. Systematic difference from the measurement of Systematic difference from the measurement of
the total cross section?the total cross section?
np)
Neutrino Energy (GeV)
(1
0-38c
m2)
K2K
CC-QE cross section
MA (GeV/c2)
K2K result
0 0.8 1 1.2 10-1 1 10
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1313
2.3 CC/NC-12.3 CC/NC-1 反応 反応 ((NC-1NC-100))
NC: NC: +N→+N→+N’++N’+00
1KT Water Cherenkov Detector1KT Water Cherenkov Detector Two Electron Ring Events.Two Electron Ring Events. Reconstruct Reconstruct inv. mass. inv. mass.
M (MeV/c2)
Not NC-10
NC-10
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1414
An important channel to study An important channel to study ee appearance. appearance.
A further study is necessary!A further study is necessary! Nuclear EffectNuclear Effect non NC-1non NC-100 channel. channel.
.)(..)(.. sysstatallCC
NC 00700010064001
⇐ model prediction with NEUT: 0.065
NEUT
PLB 619(2005), 255-262
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1515
In K2K, there was a long-standing In K2K, there was a long-standing puzzlepuzzle of t of the deficit of forward going he deficit of forward going events. events. 小さな 小さな CC coherent CC coherent 断面積が原因断面積が原因 ..
2.3 CC/NC-1p 2.3 CC/NC-1p 反応 反応 (CC coherent (CC coherent ++))
N
N
<<
t ~ 0
<<<
ニュートリノが原子核とコヒーレントに反応してπを生成。
CC 1 (+N+N+) Coherent
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1616
SciBar DetectorSciBar Detector
Extrudedscintillator(15t)
Multi-anodePMT (64 ch.)
Wave-lengthshifting fiber
EM calorimeter
1.7m
3m
3m
• 抽出型シンチレータを波長変換ファイバーで読み出す。
• 2.5 x 1.3 x 300 cm3 セルサイズ• ~15000 チェンネル• 短いトラックも見える (>8cm) • π と陽子を dE/dx で識別 High track finding efficiency (>99%)
Clear identification of ν interaction process
CC-QE event candidate
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1717
QQ22 distribution in the CC-coherent distribution in the CC-coherent samplesample
Signal Region (S/N ~ 1)
CC coherent-CC coherent- 事象は観測されなかった。事象は観測されなかった。
.).%(. LCallCC
coherentCC 90106080 2
⇐ model prediction with NEUT: 2.66710-2
New and modified models are proposed to explain the small cross section.
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1818
How is the NC coherent How is the NC coherent cross section cross section at the low energy?at the low energy?
0.65x10-40
PRL95, 252301 (2006)
Coherent cross section
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1919
2.4 Nuclear de-excitation 2.4 Nuclear de-excitation and NC and NC elastic elastic NC: NC: + p → + p → + p + p
15N*
16O
p
Proton Decay: pProton Decay: p→→KK++
16O K+
15N*
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2020
ppKK++ Signal Signal -- Prompt -- Prompt tag is a very powerful tool. tag is a very powerful tool.
2,200ns
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2121
1KT Neutrino Beam data 1KT Neutrino Beam data
Analyzed ~1/10 K2K data.Analyzed ~1/10 K2K data. Observation: 6504.1 events.Observation: 6504.1 events. MC prediction: 5273 events.MC prediction: 5273 events. Data/MC = 1.23 Data/MC = 1.23 ±0.04(stat.) ±0.06(sys.)±0.04(stat.) ±0.06(sys.)
MC
First Observation of rays from de-excitation of nuclei induced by neutrino interactions.
Good confirmation of prompt -ray tag in the proton decay search.
Good NC samples for neutrino oscillation study. ~60% NC-elastic ~80% NC interactions.
Nucl.Phys.Proc.Suppl.159 (2006), 44-49
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2222
2.5 Expected New Results 2.5 Expected New Results from K2Kfrom K2K
1KT1KT CC 1CC 100 study for proton decay search BG study for proton decay search BG
SciBarSciBar CC 1CC 1++ production cross section production cross section CC CC production cross section production cross section
More?More?
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2323
2.5deg beam center28.5m
Ground levelOff-axis Detector
On-axis Detector
Neutrino Profile & the beam center
3. T2K Near Detectors3. T2K Near Detectors
Magnet: 0.2 T outer: 6.1m(H) x 5.6m(W) x 7.6m(L) inner: 3.6m x 3.5m x 7.0m
Neutrino Beam Flux & SpectrumNeutrino Interactions
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2424
3.1 T2K 3.1 T2K Beam Beam
SK
Near Detector
Beam dump-monitor
Decay Volume
Target &horn
Extraction point
280m
OA
OA3
OA0
OA2OA2.5
energy spectrum (flux Cross Section)
Oscillation Prob.@ L=295kmm2=2.510-3, 3.010-3[eV2]
Conventional Conventional beam beam:: p + Graphite target p + Graphite target ’s’s or or is focused selectively is focused selectively
by 3 electromagnetic horns. by 3 electromagnetic horns. or or
Off-Axis technique: (OA = 2Off-Axis technique: (OA = 2 ~ 2.5 ~ 2.5)) Tune Tune energy at oscillation max. energy at oscillation max. Reduce the high energy neutrinos.Reduce the high energy neutrinos.
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2525
Spectrometer in the magnet.Spectrometer in the magnet. Finer-Grained target Detector (FGD)Finer-Grained target Detector (FGD)
111 cm1 cm22 segmentation (SciBar: 2.5 segmentation (SciBar: 2.51.3 cm1.3 cm22) ) Large TPC (2.5Large TPC (2.52.52.51m1m33 3)3) EM calorimeter and Muon Catcher surroundsEM calorimeter and Muon Catcher surrounds
00 dedicated detector (P0D) dedicated detector (P0D)
Physics purposePhysics purpose Measure Measure -flux in SK direction-flux in SK direction : :
NDND(E(E)).. Measure Measure , , and and ee++ee fluxes. fluxes.
Neutrino energy w/ CC-QE.Neutrino energy w/ CC-QE.
Cross sections of Cross sections of interactions interactions CC-1CC-1 BG for E BG for E reconstruction reconstruction
NC-1NC-100: BG for : BG for ee detection detection
~0.1 events/ton/spill
Reuse of UA1 magnet
3.2 T2K ND280-offaxis3.2 T2K ND280-offaxis
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2626
ND280 and New TechnologyND280 and New Technology
New photo-sensor (Multi-pixel Si New photo-sensor (Multi-pixel Si APDs) for all scintillator detectors: APDs) for all scintillator detectors: P0D, FGD, ECAL, SMRDP0D, FGD, ECAL, SMRD
Muon Range Detector
P0DDedicated 0
Detector
ECAL for0
e
2FGD + 3TPC for
w/ Water Target
w/ Micromegas
8mmUA1/NOMAD magnet w/ 0.2T
(3.53.6 7m3)
FGD scintillator
10mm
1mm
1mmHPK MPPC
CPTA MRS-APD
w/ Water Target
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2727(copy from http://cbernet.home.cern.ch/cbernet/Micromegas)
Micromegas for TPC
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2828
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2929
New Photo Sensors (maybe familiar as SiPM)New Photo Sensors (maybe familiar as SiPM)
安価でコンパクト安価でコンパクト 磁場中で使用可能磁場中で使用可能 低電圧(低電圧( ~70V~70V )で動いて高ゲイン()で動いて高ゲイン( 101066 )) 高い光子検出率(緑の光に対してPMT高い光子検出率(緑の光に対してPMT ~2~2倍強)倍強)
ノイズが多い(ノイズが多い( ~O(100kHz)~O(100kHz) ))
0
12
3
4
5
67 8
光子計測
MRS APD(Russia)
HPK MPPC(Japan)
KEK 測定器開発室を中心に開発・試験中
T2K 実験で約 60,000 チャンネル使用( 2007-2008 年)
1mm
100m
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3030
CCQE
CCQE CCQE
Pp
P
0 1 2 (GeV/c)
0 1 2 3 4 (GeV/c) 0 40 80 120 160 (degree)
Neutrino Interactions Neutrino Interactions at ND280at ND280
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3131
4. Summary4. Summary(個人的見解)(個人的見解) ニュートリノと原子核反応の物理自身は古い物理であるが、ニュートリノと原子核反応の物理自身は古い物理であるが、
GeV領域のニュートリノ振動研究に必要不可欠の情報。GeV領域のニュートリノ振動研究に必要不可欠の情報。 他の例:LHCの新物理探索においてQCDの研究が必他の例:LHCの新物理探索においてQCDの研究が必
要。要。 気付いていない物理を引き出せる可能性もある(後半の講気付いていない物理を引き出せる可能性もある(後半の講演参照)。演参照)。 ΔsΔs を測る?を測る? 様々なパズル様々なパズル①① CCとNCのコヒーレント CCとNCのコヒーレント ππ 反応の断面積比は?反応の断面積比は?②② CC CC --QEのフォームファクターは? なぜQEのフォームファクターは? なぜ MMAA~1.~1.2?2?③③ ニュートリノ反応断面積の絶対値? ニュートリノ反応断面積の絶対値?
新しい領域で、各人のアイデアを活かせる。新しい領域で、各人のアイデアを活かせる。 ただし、解析や研究のテンプレートは無いので、チャレただし、解析や研究のテンプレートは無いので、チャレ
ンジしがいはある。ンジしがいはある。
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3232
SummarySummary
K2KK2K 実験(実験( 1999-20051999-2005 )) ニュートリノ振動の結果は完結。ニュートリノ振動の結果は完結。 ニュートリノ・原子核反応の解析は地道にニュートリノ・原子核反応の解析は地道に進んでいる進んでいる (( 主に外国人メンバーによる主に外国人メンバーによる )) 。。
T2K実験(T2K実験( 2009-2009- )) ビームライン、ビームモニター、前置測定ビームライン、ビームモニター、前置測定
器の建設とスーパーカミオカンデのアップ器の建設とスーパーカミオカンデのアップグレードが進行中。グレードが進行中。 立ち上げのピークに向けて、活躍できる現場が立ち上げのピークに向けて、活躍できる現場が多くある。そのまま物理につながる。多くある。そのまま物理につながる。
即戦力求む!即戦力求む!
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3333
BackupBackup
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3434
NON NC-1NON NC-100 fraction fraction
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3535
QQ22 distribution in the CC-coherent distribution in the CC-coherent samplesample
No Evidence of CC-coherent No Evidence of CC-coherent process process at low energyat low energy
Signal Region (S/N ~ 1)
In the Signal Region,In the Signal Region,
Observation: Observation: 113113 BG estimate: BG estimate: 111.4111.410.6(stat.)10.6(stat.) Signal prediction by the Rein&Sehgal model: Signal prediction by the Rein&Sehgal model: 9999
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3636
Upper limit on σ(CC-coherent Upper limit on σ(CC-coherent )/σ()/σ(CC)CC)
(90%CL) 100.608
.)}(.)(.{0.044
)() (
2-
.
.
23310
3630 102910 syststat
CCcoherentCC
absorption in the nucleus +0.171, -0.08BG estimation from CC-1 +0.144, *
Nuclear effect and neutrino interaction (+0.273, -0.253)
Main Systematic uncertainties
⇔ Rein & Sehgal : 2.667 x 10-2
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3737
A Novel Idea: Prompt A Novel Idea: Prompt tag tag
A proton in A proton in 1616O decays (or disappears)O decays (or disappears)
➾ ➾ 41%41% 6.3MeV 6.3MeV -ray-ray generates generates
This propmt This propmt events will be measured at events will be measured at K2KK2K by by NC elastic scattering (NC elastic scattering (++1616OO++1515NN**++pp).).
15N*
16O K+
Nucl.Phys.Proc.Suppl.159:44-49,2006
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3838
1-ring 1-ring -like-like 215215pp260MeV/c260MeV/c
1 Decay electron1 Decay electron No proton ringNo proton ring 77NNhithit60 (prompt 60 (prompt ))
EfficiencyEfficiency = 8.6%= 8.6%
pp/BR(p/BR(pKK++) >) > 1.1 x101.1 x103333 years (90% CL)years (90% CL)
w/ 0.7 expected w/ 0.7 expected BackgroundBackground events events
Nhit
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3939
J-PARC schedule w/ beam power estimationJ-PARC schedule w/ beam power estimation
Hardware upgrade is necessary for 1MW.
0.75 MW
Target date for new RF system installation.
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4040
14 Iron/Sci sandwich trackers are placed with a “cross shape” around the beam axis
Each tracker consists of 10 iron plates and 11 scintillator strip planes
+ veto planes around each tracker
10cm
10cm x & y views
On-Axis Neutrino Monitor (INGRID)
Design-A
Design-B
OR
- Extruded Scintillators- Photo-Sensor (MPPC/SiPM)
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4141
K2K-SciBar
FGD
Scinitillation counter: 1cm1cm( better segmentation then K2K)
2300mm
365mm
2
Plastic FGD:15 XY modules(30 layers)Water FGD:7 XY modules with 6 water layers (2.5cm/layer)
Nominal scnitillator bar:1cmx1cmx185cm
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4242
Measure the momenta of all charged partMeasure the momenta of all charged particles: icles: , e, , e, ,.. ,..
Particle ID for e versus Particle ID for e versus ..
Gas amplification devise: Gas amplification devise: MicromegMicromegasas
12 modules on each TPC end plate12 modules on each TPC end plate (Module: 34cm x 36 cm)(Module: 34cm x 36 cm) 72 modules in total72 modules in total
TPC
3
1 m
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4343
ECAL
Measure Measure the EM componenthe EM component (e, t (e, )) from P0D and FGD, from P0D and FGD, and veto and veto background particlbackground particleses coming outside. coming outside. Measure the EM cluster Measure the EM cluster
position and energy.position and energy. Perform Particle ID.Perform Particle ID.
scintillator barscintillator bar (4cm (width) x1cm (depth))(4cm (width) x1cm (depth))with 0.03Xwith 0.03X00 Pb Pb
Photo-sensorfiber
Barrel ECAL module
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4444
A dedicated NC 0 detector.
Pb(0.6mm) + scintillator (17mm thick) + Water
P0D
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4545
Muon Range detector to catch the muon going out of the TPC acceptance.
Momentum measurement by the range of muon whose momentum is not measured by TPC.
Scintillator modules are instrumented in the Fe gap (4cm)
SMRD
1 unit: 4 scntillator slab
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4646
DetectorDetector TechnologyTechnology No. of channelsNo. of channels
INGRIDINGRID FeFe++Scinti+WLS+MPPC/MRScinti+WLS+MPPC/MRS-APDS-APD
9,0009,000
FGDFGD Scinti+WLS+MPPC/MRS-AScinti+WLS+MPPC/MRS-APDPD (+Water) (+Water)
8,5008,500
TPCTPC MicromegasMicromegas 124,000124,000
ECALECAL PbPb++Scinti+WLS+MPPC/MRScinti+WLS+MPPC/MRS-APDS-APD
22,00022,000
P0DP0D PbPb++Scinti+WLS+MPPC/MRScinti+WLS+MPPC/MRS-APDS-APD (+Water) (+Water)
11,00011,000
SMRDSMRD Scinti+WLS+MPPC/MRS-AScinti+WLS+MPPC/MRS-APDPD
10,00010,000
Summary of the detector technology
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