Feasibility study of neutrino
charged-current reaction
cross sections at J-PARC
IPNS, KEK
Nobuaki Imai
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
nSNS
 http://www.phy.ornl.gov/nusns
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
Contents







Scientific motivation
KARMEN experiment @ISIS
Decay-at-Rest neutrinos
Detectors @ nSNS
Yield estimation @ J-PARC
Background estimation @ nSNS
Nuclear & particle physics interests
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
Scientific motivation
Delayed supernovae explosion SN1987A
Neutrino is a key player.
neutrino luminosity
energy spectrum
angular distribution
From nSNS proposal
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
~ 10%
Direct measurement
-KARMEN experiment Pulsed Decay at Rest
neutrinos
 Active target 12C
6x3.5x3.2m3
liquid scint. module x512
 Veto counter
Iron shield 18cm thick 180t
anti-detector (plastic) x96
outer shield detector x 120
B. Zaitnitz, Prog. Part. Nucl. Phys. Vol.32 pp351
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
Result of KARMEN experiment
4399 Coulomb (3years)
= Yn 3.0x1013 n/cm2 @ 17.5m
12C(n ,e-)12N
e
g.s
223.2+/-13.5 events
[8.9+/-0.6+/-0.75]10-42 cm2
12C(n ,e-)12N*
e
206+/-46 events
[6.4+/-1.45+/-1.4]10-42 cm2
12C(n,n’)12C*
[10.8+/-1.1+/-1.2]10-42 cm2
B. Zaitnitz, Prog. Part. Nucl. Phys. Vol.32 pp351
2008/9/25
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Decay-at-rest neutrino
capture
π-
p
e+
～99%
FREE
μ+
Hg
1 GeV
π+ τ～26 ns
νμ
30 MeV
2008/9/25
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τ～2.2 μs
νe
νμ
< 52.6 MeV
Energy spectrum of DAR-n
Super nova
ν-SNS
Luminosity (×1051 erg/s)
3.5
νμ
νe
3
νe
νe
2.5
νμ
2
1.5
1
0.5
2008/9/25
0
νμ, νμ, ντ, ντ
0
10
20
30
40 WS
50
宇宙核物理連絡協議会
Energy (MeV)
60
70
80
DAR n-Flux@J-PARC
I
E
ISIS
200mA
800 MeV
J-PARC
333mA
3 GeV
X1.5
x7
Yn(J-PARC)
~10Yn(ISIS)
   (3 GeV )
7
   (0.8GeV )
2008/9/25
~ 2 × 107 (νe+νμ+νμ)/cm2/s
@ 20m
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Detectors @ nSNS
(νe,e-) : charged current
AZ
N
AZ+1
N-1
W±
νe
edetect
Solid target: Fe, Al, Pb…
Liquid target: C (paraffin), O (water), d (heavy water)…
2008/9/25
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Solid target detector
• mass ~ 10 t
• easy exchange
• time resolution ~ several ns
• 3D-tracking and PI
• energy resolution ~ several MeV
Corrugated target
Fe d=0.75 mm 10 t
Segmented detectors
Drift tube 14,200
radius 8 mm、length 3 m
tube: metal-vapored mylar
gas: CF4 (84 ns for 8 mm)
charge division: tracking
Fidusial volume: 2.0×2.0×3.0 m3
2008/9/25
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Liquid target detector
Ring-imaging Cherenkov detector
Fiducial volume 3.5 × 3.5 × 3.5 m3
Liquid target
8-inch PMTs #600
→ 41% surface coverage
Hamamatsu R5912
σq ~ 0.6 photon、σt ~ 1.2 ns
2008/9/25
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Detector setup
(C)
1m
(D)
(A)
2m
(A) Solid target
(B) Liquid target
3.5 m
(C) Fe Shield
(B)
2008/9/25
3.5 m
(D) Veto counters
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}
Measurements
at the same time
→ Normalization
Yield estimation @ J-PARC
 ν flux 2×107 /s/cm2 @ 20m
 Fe 10 t
σ～2.5×10-40 cm2 → 46 events/day
efficiency (PI, veto system dead time) ~30%
→ 15 events/day (~3000 events/year)
 Liquid target
(volume 15.5 m3)
paraffin CnH2n+2 (n~20), ρ=0.85 g/cm3
σ=9.3×10-42 cm2 for X=Ngs
σ=5.1×10-42 cm2 for X=N*
→ 2,800 events/year
→ 1,260 events/year (ε=40%)
2008/9/25
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Backgrounds @ SNS
N from SNS
~3×109 events/day → remove by time structure (>1.2 μs)
From cosmic rays
μ 130 Hz/m2
~2.5×108 events/day
n
~2.6 Hz/m2
~5.0×106 events/day
Fe 10 t → ~10 evts/day @ full power
2008/9/25
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Reduction of cosmic ray backgrounds
Cosmic ray n
5×106 /day → 3×103 /day → 30 /day → Reduction by PI
~ 1/10
time window
(<10μs)
Fe shield
(top 1 m, wall 0.5 m)
Cosmic ray μ
2.5×108 /day → 1.5×105 /day → 1.5×103 /day → Reduction by PI
~ 1/1000
time window
(<10μs)
Veto counters
(ε=99%)
μ + Fe shield → n + X
30 n /day → Reductiion by PI
2008/9/25
~ 1/10
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Schedule
2009~
Background n measurement : N. Imai
Detector development : Y.X. Watanabe
2008/9/25
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Nuclear physics interest
 GTのdirect measurement
1. Determination of geff
2. (p,n)反応では分からない30MeV程度の励起状態での
forbidden transition
 12C(nm,m-)12N
exp~10 x10-42 cm2 theo.~20x10-42 cm2
Where is the origin of the deviation ?
2008/9/25
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Particle physics interest
1. Lepton flavor number
violation


m
normal:
rare decay(10-4): m 
 e n e n m
 e  n e n m
n e  p  e  n
Search for this reaction
2. Search for scalar and tensor term
2008/9/25
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Theoretical calculation; (ne,e-)
ZA(m,e-)
 ( En ) 
GF2 cos2  c

ke Ee F ( Z  1, e)[B( F ) 2  ( g Aeff ) 2 B(GT ) 2  ...]
GF: Fermi constant
c: Cabbibo angle
Ee,ke: energy and momentum of outgoing electron
F(Z+1,Ee): distortion of outgoing electron wave function
by Coulomb field
gAeff: effective axial-vector coupling constant
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
Uncertainty of theoretical calc.
1. Treatment of F(Z+1,Ee) ~ 50%
Fermi function +relativistic effect
Fermi function
2. gAeff (~-10%) ? <-> quenching of B(GT)
3. Distribution of excited states (20-30%)
cf.) up to L~4 contribution
C. Volpe et al., PRC65, 044603
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
Indirect measurement
 Charge exchange reaction
(3He,t), (p,n) reaction DS=1, DL=0 -> B(GT)
(1) High multipolarities ?
(2) Theory dependence
(a) Normalization by b-decay
(b) Reaction theory is needed
Direct measurement
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
n observatory
• SK :
n e  p  e  n
n  p  d (2.2MeV )
•KAMLAND: n e  d  p  p  e•SNO: n x  d  p  n n x
•HOMESTAKE:
n e 37 Cl  e- 37 Ar
16O+n反応は測定されているはず。
2008/9/25
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n-12C reactions @KARMEN

12C(n ,e-)12N
Ee- < 35 MeV
e
g.s.
12C+e++n
Ee+ < 15 MeV
e
e- とe+のdelayed coin: 時間、エネルギー、場所

12C(n ,e-)12N*
e
11C+p

Ee- > 17 MeV
12C(n,n’)12C*(1+;T=1,15.1
12C
2008/9/25
g.s.
+
MeV)
(E=15.1MeV)
宇宙核物理連絡協議会 WS
Mass dependence
Target
 for DAR (cm2)
12C
1.4x10-41 (exp.)
56Fe
2.6x10-40 (thor.)
208Pb
3.6x10-39 (thor.)
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
Time structure of DAR-n flux
Pulsed proton beam
25 Hz (40 ms)
νμ
Intensity
1 ms
1014 p
beam
1 MW (average)
Suppression ~
2008/9/25
2.5e-5
0
宇宙核物理連絡協議会 WS
500
νμ, νe
1500
1000
Time (ns)
2000
Site @ MLF
 3GeV, 333mA
70m
150m
2008/9/25
宇宙核物理連絡協議会 WS
ν-N反応
pure
neutral current
νe : charged current
AZ
N
AZ+1
N-1
νμ
強度
W±
e-
νe
neutral current
+ charged current
neutral current
charged current
検出
νμ、νμ : neutral current
beam
AZ*
AZ
N
νμ
2008/9/25
N
0
Z0

νμ, νe
decay
500
1500
1000
時間 (ns)
ビーム由来バック・グラウンド大
宇宙核物理連絡協議会
WS
検出
2000
veto
(D)
(C)
1m
(A)
2m
60 cm
長さ 4.5 m
Scint. (thickness 1 cm) 4 layers
Fe absorber (thickness 1.5 cm) 3 layers
3.5 m
(B)
3.5 m
• ≧ 2 photons/layer
• ≧ 3 layer hits
μ ~
γ ~
n ~
99.5 %
0.005 %
0.07 %
false veto <10% → dead time
0.52008/9/25
m
0.5 m宇宙核物理連絡協議会 WS
固体標的検出器
3
Counts (a.u.)
νe
強度 (a.u.)
2000
νe + Fe → e- + X
2
1
e-
1500
1000
500
00
10
20
30 40 50 60
Energy (MeV)
Counts (a.u.)
0
80
0
10
20
30
40
50
Energy (MeV)
セルのヒット数 → 飛程 → PI、e- のエネルギー
2000
1500
70
Fe標的 10 トン
σ～2.5×10-40 cm2 → 46 events/day
efficiency (PI, veto system dead time) ~30%
→ 15 events/day
~3000 events/year
e-
1000
500
0 2008/9/25
0 2 4 6
8
10 12 14 16 18 20 宇宙核物理連絡協議会 WS
セル数
液体標的検出器
28 光電子/MeV
N (PMTs)
νe + C → e- + X
200
150
100
エネルギー分解能
位置分解能
角度分解能
50
0
Q (PE)
1500
5~7% at 53 MeV
15~20 cm
3~5°
1000
500
25
25
2008/9/25
30
35
40
Energy (MeV)
45
50
流動パラフィン CnH2n+2 (n~20), ρ=0.85 g/cm3
ν flux 2×107 /s/cm2
σ=9.3×10-42 cm2 for X=Ngs
σ=5.1×10-42 cm2 for X=N*
→ 180 events/year/m3
→ 2,800 events/year (標的体積 15.5 m3)
宇宙核物理連絡協議会
WS
→ 1,260
events/year (ε=40%)
宇宙線起源の
バック・グラウンドの除去
2008/9/25
νμ
強度
 時間構造
< 10 μs
 Feシールド
天井 1 m、壁 0.5 m
 粒子識別
三次元飛跡測定
 vetoシステム
宇宙核物理連絡協議会 WS
τ ~ 2.2 μs
beam
0
500
νμ, νe
1000 1500 2000
時間 (ns)
固体標的検出器での
バック・グラウンド除去
+ time window (>1.2μs)
ゲート無
し
+ 検出器外縁部8cmに信号無し
B.G. ~ 10%
+ time window (<10μs)
セル・ヒット数
+ <ΔE> < 10 keV
セル・ヒット数
+ vetoシステム
セル・ヒット数
+ コンパクト
セル・ヒット数
2008/9/25
ν- N反応
n from SNS
宇宙線μ
宇宙線n
セル・ヒット数
宇宙核物理連絡協議会 WS
セル・ヒット数
セル・ヒット数
4He(n,n’X)
4He(n,n’)4He*
reaction
3He+n
3H+p
Sp=20.6 MeV
Sp=19.8 MeV
NO STATE
4He
~10x10-42 cm2
Gas検出器(1atm,300K)
KARMEN
0.86/13.89=6.2x10-2 mol/cm3
gas 検出器 1./22.4x103=4.5x10-5 mol/cm3
n-flux x10
P
x10
V
x10
X10-3
3 GeV 330mA
10 atmで動くgas検出器
12 m x 6.4 m x 7 m の大検出器
4He(n,e-)4Li
reaction
4He(n,e-)4Li
4Li
3He+p
4He(n,e+)4H
4H
3H+n
Q=-23.41 MeV
Q=3.1 MeV
Q=-24.01 MeV
Q=2.98 MeV
Eb < 30 MeV
Gas検出器の周りを10cm厚の
プラスチックシンチで覆う。
E4Li < 0.35 MeV
E(3He) = 0.75 MeV/u
= 8mm/10atm 4He