A Study of Low Energy Spectrum in Acceleratorbased 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 • ニュートリノ振動 • 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 nm nx の２世代間混合の場合 nm = n1 cosq + n2 sinq nx = - n1 sinq + n2 cosq 質量二乗差(eV2) (Dm2 = m12 – m22) • nm, nx : 弱い相互作用の固有状態 • n1, n2 : 質量固有状態 • q : 固有状態の混合角飛行距離(km) 振動確率 = 振動条件 • n1, n2が異なる質量を持つ • 混合角が0でない飛行距離Lを進んだ後にnmの数の増減が起こる nm t=0 nx 飛行距離 : L t=T ニュートリノ・エネルギー (GeV) SKの大気nの測定で発見確かな方法で確認した K2K実験 MRD(Muon SciBar Range Detector)(LG) SciFi 1kt nm ~106n/2.2sec 250km ~1event/2days Super-Kamiokande ダンプ (100m ) nm ~1011n/2.2sec 崩壊トンネル (200m) m nm mモニターターゲット p 電磁ホーン pモニター前置検出器 • 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n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nmビームを使用 • 前置検出器とSKでnmを観測しニュートリノ振動を測定 p KEK 12GeV P.S. K2K実験 K2K実験におけるn振動実験原理前置検出器でn事象数とEn分布を測定 • SKでのn事象数とEn分布が予測可能 • SKの観測結果と比較し、n振動を検証振動がある場合 SKでの振動確率とFlux分布(MC) 振動確率 = 飛行距離が一定(250km) 振動なし SKでの振動の効果 nm事象数が減少するスペクトル分布に歪が生じる   振動あり K2K実験におけるEnの測定 CC事象準弾性散乱反応 m n q p m 非弾性散乱反応 n p p NC事象 n p p エネルギーの再構成： • 準弾性散乱反応(CCQE)を用いる終状態が２体なのでmの角度と運動量からEnの再構成が可能 Enrec mnEm  m2m / 2  mn  Em  Pm cos q m • 非弾性散乱反応(nonQE)がバックグラウンドとなるスペクトルの測定にはnonQEの混入量の見積もりが必要 mとpの両方を捕らえる事が必須   低エネルギー事象の重要性 • En ~ 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 En>1GeV : pモニターでMCの妥当性を確認 En<1GeV : MCだのみ前置検出器での1GeV以下の低エネ   前置検出器の比較ルギー領域のスペクトル測定が重要！ • 1kt検出器低エネルギーに感度有り mしか見えない 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(En>0.6GeV) • SciBar検出器 SciBarでの低エネルギーの観測は低エネルギーに感度有り他の検出器とのチェックにも重要 mとpが両方見える       SciBar検出器 Extruded • 押し出しシンチレータ n scintillator 1.3x2.5x300 cm3 (15t) 15000本 • シンチレータ自身がニュートリノ・ターゲット Multi-anode 不感領域がない PMT (64 ch.) • 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pを識別 CCQE に対して高感度 non-QEバックグラウンドを識別 Wave-length shifting fiber • 電磁カロリー・メーター (~ 11X0)   3m   1kt 水チェレンコフ検出器 1.7m MRD n振動測定の流れ前置検出器によるスペクトル測定 • データ・サンプルの作成 SciBar 低エネルギー・サンプル 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 (pm,qm）分布をMCテンプレートでc2フィッティング       • Near/Farフラックス比の算出 • SKでのイベント数の予測振動解析 • Maximum likelihood method SciBarデータ・サンプルの作成 SciBarイベント選択 MRD SciBar EC MRD事象 • 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 • En>0.5GeV 新しいイベント・カテゴリー MRD 低エネルギー事象を増やすために、新たに SciBar EC ２つのイベント・カテゴリーを作成した。 SciBar EC MRD ECストップ事象 • トラックがECで止まっている • En>0.4GeV SciBarストップ事象 • トラックがSciBar内で止まっている • En>0.3GeV イベント・ディスプレイ SciBarストップ事象 MRD事象 EC MRD SciBar SciBar m n m ECストップ事象 p SciBar EC MRD n p n m EC MRD SciBarストップ事象 SciBarタイミング分布 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p0からのg p : dE/dx情報で識別可 g : 100cm以下のトラックに混入  データ取得バックグラウンド   2 0 4 msec 6 SciBar内トラック長分布 Data NC CCmp CC1p CCQE 0 100 200 cm • 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    SciBarストップ事象ではNCの理解が必要 SciBarストップNC事象 NC事象 CCQEからのmの mとして再構成した NCからのpの運動量再構成運動量 • 1GeV以上のニュートリノ反応 MC MC • SciBar内でのトラック p : 35% p0からのg : 37% NC1p CCQE NCmp • NC事象からのpとgはCCQEからのmと運動量分布がかぶる。 GeV/c GeV/c • 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。 SciBarストップ事象のpm, qm分布 100cm以上のトラックを用 pm qm いてNC事象とB.G.を除去   pm, qm分布はフィット前でデータとMCでよく合っている。 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NC 100cm以下のトラックに混入 pA, p0からのgがトラックとなる 1GeV以上のニュートリノ反応  SciBar内トラック長分布 Data NC CCmp CC1p CCQE   cm 100cm以上のトラックを用いることでNC事象を除去 pm, qm分布はフィット前でデータとMCで概ね合っている。 qm pm GeV/c degree SciBarデータ・サンプルのまとめデータ・サンプルのまとめ • MRD事象 : 11,562 (CCQE : 54%,CC1p : 35%, CCmp : 9%, NC : 2%) • ECストップ事象 : 203 ( CCQE : 34%, CC1p : 46%, CCmp : 13%, NC : 7%) • SBストップ事象 : 821 (CCQE : 37%, CC1p : 43%, CCmp : 12%, NC : 8%) CCQEのEfficiency(MC) Efficiency CCQEのtrueEn (MC) ECストップ SciBarストップ MRD 0 低エネルギーCCQEの Efficiency(MC) 1 Total 0.5 1 2 MRD + SciBarストップ 3 MRDのみ 0 0.5 1 En (GeV) MRDサンプルのみに比べ、1GeV以下のCCQEの数は30%増加した。スペクトル解析フィッティング・サンプル 2トラックDqp分布 (MRDサンプル) QE豊富 nonQE豊富 SciBar Data • MRD+ECストップ・サンプル m CC coherent p - 1-track CCmp 観測された方向 CC1p - 2-track QE豊富 CCQE Dqp - 2-track nonQE豊富 QEで予想される方向 • SBストップ・サンプル deg. SciFi • K2K-I MRD • K2K-II LGストップ • K2K-II MRD - 1-track - 2-track QE豊富 - 2-track nonQE豊富 1KT • Fully-contained 1-ring m-like 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・フィッティングデータ(SB 1-track) MCテンプレート(SB 1-track) nonQEサンプル CCQEサンプル 3.0- GeV 3.0- GeV Ndata(i,j) qj F(8) x N8,QE(i,j) RnQEN8,nQE(i,j) pi Ndata(i,j) c2 fitting NMC(i,j) = S F(k) [Nk,QE(i,j) + RnQENk,nQE(i,j)] k • (pm, qm)分布でフィッティング • MCテンプレート F(2) x 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) F(1) x QE/nonQE比 : RnQE 系統誤差パラメータ  0.5-0.75GeV N2,QE(i,j ) 0.5-0.75GeV RnQEN3,nQE(i,j )     0-0.5GeV N1,QE(i,j) 0-0.5GeV RnQEN1,nQE(i, j) フィッテングの結果全検出器 SciBarのみ • 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 低エネルギー事象有り低エネルギー事象なし  1.043 A 0.223 1.118 A 0.131  0.961 A 0.069 0.985 A 0.082 1.450 A 0.195  1.186 A 0.086 前置検出器で測定したEn分布  1.166 A 0.254 1.133 A 0.136  0.964 A 0.070 0.970 A 0.083 1.470 A 0.198  1.234 A 0.096 1.712 A 0.421 1.095 A 0.073 1.146 A 0.059 1 0.917 A 0.040 1.051 A 0.053 1.179 A 0.136 1.242 A 0.180 0.958 A 0.035 • 低エネルギー・サンプルにより0.50.75GeV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。振動解析振動解析の方法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 Ltotal = Lnorm. x Lshape x Lsyst. nm事象数の loglikelihood SKでの事象数 (112) Poisson統計予想事象数 (振動なし : 156) スペクトルの形を決めるlikelihood SKでrecEnを観測する確率分布を用いて計算系統誤差パラメータに制限をかけるlikelihood ガウス分布を仮定して誤差内で制限フィッティング・パラメータ • (sin22q, Dm2) • 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振動解析の結果 The best fit : (sin22q, Dm2) = (1.0, 2.8 x 10-3) データ振動無しのbest fit 振動有りのbest fit 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 s) 振動パラメータの可能領域 Dm2 [eV2] SKでのrecEn分布 SKでの大気nの結果と矛盾なく一致 1.5x10-3 < Dm2 < 3.4x10-3 eV2 sin22q > 0.92 (90% C.L.) sin22q 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n振動の結果との一致を確認した。 – 4.2sで振動無しを棄却おまけ SciBarストップ事象のvertex分布フィット前 vertex分布もフィット前でデータとMCでよく合っている。 Data NC CCmp CC1p CCQE SciBar n y x z SciBarのフィッティング・パラメータ共通のフリー・パラメータ • 8 bins of En Free parameters • nonQE 系統誤差パラメータ MRD+EC サンプル • MRDの運動量スケール : s=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事象間の行き来誤差行列 0.0035 0.0003 0.0003 0.0034 SBストップ・サンプル • SciBarの運動量スケール : s=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 A20% Rnqeに20%の系統誤差を追加 Sky-shine background g-like Proton-like SB (MRD+EC)のpm, qm, q2分布 (フィッティング前) SciFiのpm, qm, q2分布 (フィッティング前) 1KTのpm, qm, 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(CC1p) (MA=1.01, 1.21) • p int. out of nucleus (A10%) • p inel. (A30%) • p abs. (A30%) • p re-scat. (A10%) • s(NC) (A30%) Detector (+4.4, -5.1) • PMT resolution (120%) • X-talk (1.6%, 4.0%) • Threshold (+15%) • PID stability (A0.03) • MuCL distirubution • Scintillator quenching (A0.0023) • MRD matching efficiency +0.2 +1.6 +0.5 +2.2 +1.2 +1.6 +2.4 +1.2 +0.5 +1.6 +3.3 +2.0 -0.5 -2.1 -1.3 -1.7 -1.7 -0.0 -2.4 -2.8 -1.2 -1.0 -0.7 -1.6 -3.0 -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. c2フィッティングの確認 SB (MRD+EC)のpm, qm, q2分布 (フィッティング後) MRD+EC SBCNT SciFiのpm, qm, q2分布 (フィッティング後) 1KTのpm, qm, q2分布 (フィッティング後) 振動パラメータに対する制限