ニュートリノ反応数測定のための 小型水チェレンコフ検出器 Mizuche の開発 高エネルギー物理学研究室 修士課程2年 髙橋 将太 Wednesday, February 2, 2011 1 目次 • Mizuche実験について • 検出器シミュレーションによる検出効率の見積り • 強度解析を踏まえての詳細設計 • まとめ Wednesday, February 2, 2011 2 23 Since δ appears with sin θ13 in the MNS matrix, it does not make any effe θ13 = 0. Therefore it is important to observe the non-zero value of θ13 . T2K長基線ニュートリノ振動実験 2 Overview of the T2K experiment • J-PARCで生成した大強度μニュートリノビーム • 前置検出器、スーパーカミオカンデ（SK）で観測 e T2K experiment is the accelerator based long baseline neutrino oscillation ex nt started in April 2009. The intense νµ beam are produced by J-PARC (Ja 1. μニュートリノ消失モードの精密測定 elerator Research Complex) proton accelerator at Tokai. We detect the ne at both 2. the電子ニュートリノ出現モードの初観測 near detector “ND280” and the far detector “Super-Kamiokan g. 1.1). Neutrino oscillation probability is measured by comparing the neut raction rate at near/far detectors. The main goals of T2K experiment are: 世界最大水チェレンコフ検出器 Super-KAMIOKANDE 岐阜県 飛騨市 Wednesday, February 2, 2011 前置検出器 （ビーム下流280m） 茨城県 東海村 3 ニュートリノ振動解析 • 前置検出器(ND)の結果を外挿して、SKでの反応数を予測 ΦSKMC x σSK x εSK x dE ΦNDMC x σND x εND x dE NSKexp = NNDobs x NDの測定結果 • モンテカルロで求めた エネルギースペクトル 反応数予測の精度向上 NDをSKに近づける • • 反応標的：水 検出効率 系統誤差を抑えての外挿 NDで水チェレンコフ検出器の開発 ν反応断面積σの不定性 検出原理：チェレンコフ光 Wednesday, February 2, 2011 ν反応断面積 検出効率εの不定性 4 Mizuche実験 • • 小型水チェレンコフ検出器によるν反応数測定 ＠ ND 目標 1. 前置検出器でのν反応数測定（目標精度２％） 2. SKでのν反応数予測精度向上 • 特徴 • SKと系統的によく似ている • • • 同じν反応標的、同じ検出原理 T2Kのビーム強度でもν反応が1バンチごとに区別可能 反応数測定に特化（エネルギー再構成できない） Wednesday, February 2, 2011 5 検出原理 • ν反応によって生じた荷電粒子が水中を進むときに 放出するチェレンコフ光を観測 μ H2O nuclei θ ν Cherenkov photon [/cm] Cherenkov light p • 荷電粒子が単位長さ進む間に muon 放出するチェレンコフ光子数 400 350 チェレンコフ放射 • • 荷電粒子の速度 ＞ 媒質中の光速 チェレンコフ角 1 cos θ = nβ 媒質の屈折率 （水＝1.33） Wednesday, February 2, 2011 300∼400 photons/cm 300 荷電粒子の速度 250 ーμ ーe ーπ ーp 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 Momentum [MeV/c] 6 検出器の概念図 FV OV 300 mm 側面図 1600 mm ν ν ν 1000 mm ニュートリノビーム方向 φ800 mm φ1400 mm 前面図 詳細設計は後述 300 mm Fiducial Volume （FV） OV • 2層構造の円筒 • • • 164-3 PMTs 有効体積（FV）: 500kg ← FV内のν反応を計数 バッファー層（OV）: 300mm ← FV端のν反応で生じた荷電粒子の最小飛程を確保 光電子増倍管（PMT）：3インチ管、164本、coverage∼6.2% Wednesday, February 2, 2011 7 測定原理 νがホール壁と反応して生成されたｎ/π0 νがホール壁と反応して生成されたμ 反応した場所 測定状態 FV FV外（OV） ν由来の 中性子／π0 砂ミューオン FV水あり ν ν μ n FV水なし ν ν μ n 残差 シグナル キャンセル ν反応に対する検出効率のスタディ Wednesday, February 2, 2011 キャンセル バック グラウンド （スタディ中／今後スタディ） 8 ν反応に対する検出効率のスタディ 反応した場所 測定 状態 FV ww : with FV water, wow : w/o FV water FV外（OV） 測定数 FV 水あり ν ν Nwwobs = NFV×εFV + NOV×εOVww FV 水なし ν ν Nwowobs = 残差 シグナル キャンセル NOV×εOVwow NFVobs = NFV×εFV • 残差によってシグナルを計数する場合、OVの検出効率 がFV水あり／なしで一致する必要がある（εOVww=εOVwow） Wednesday, February 2, 2011 9 検出器シミュレーションの概要 Overview of MC Neutrino Flux P C target • π μ μ ν Neutrino Interaction Detector response 手順 • P Neutrino Flux : ほぼタンクの場所でのFlux (正確なflux 1. ニュートリノフラックスの作成（JNUBEAM） は作成中) 2. ニュートリノ反応の生成（NEUT） Detector MC : Geometry トリノ反応をシミュレート. 位置は実機スペックをGEANT4で再現. GEANT4の設定 QE • Neutrino interaction : Fluxを元にNEUTで水でのニュー • 検出器の応答確認（GEANT4） volume (FV)のスペック、PMTの設置 •3.タンク、Fiducial • 光電面の量子効率 PMT QE PMT 0.3 0.25 Detector response : GEANT4で検出器を再現. 荷電粒子 タンク : MC 外タンク：Φ1400mm, 長さ1600mm Detector によるチェレンコフ光生成をシミュレート. 内壁は反射しない 半径70cm, 長さ1.6m Monday, October 18, 2010 0.2 0.15 4 FV(アクリルチューブ) : 0.1 内タンク：Φ800mm, 長さ1000mm 半径40cm, 長さ1m, 厚さ アクリル5mm厚（フタは8mm） 厚さ5mm(フタは8mm) 5mm,8mm 屈折率1.49、滑らか PMT：164本、Φ70mm 窓の半径3.5cm Monday, November 8, 2010 Wednesday, February 2, 2011 0 QE PMT ! 164本 : 0.05 300 400 500 600 700 WaveLength [nm] 0.3 水：波長に依存した光子吸収率・屈折率（1.34∼1.36） 0.25 0.2 3 0.15 ← ギ 10 総光量によるカットと検出効率 • • • • 総光量：ヒットがあったPMTの光量の総和（total p.e.） ヒット ： 2 p.e. 以上入射したPMT 光量カット：総光量に対して、ある光量以上のイベントを選択 検出効率： 光量カット後に残るイベント数 ニュートリノ反応数 Efficiency [%] Efficiency vs total p.e. threshold vertex in FV (w/ water) 100 vertex in Outer (w/ water) vertex in Outer (w/o water) 80 60 • • • 40 赤：FV水ありOV 青：FV水なしOV 50 p.e.∼200 p.e.で光量カットを 行うと、赤と青の検出効率が一致 20 0 Monday, November 8, 2010 Wednesday, February 2, 2011 200 400 600 800 1000 Threshold pe 11 11 OVでのν反応に対する検出効率 • OVでのν反応検出効率 Efficiency (total pe>150) to • 光量カット（>150p.e.） numu interacted in Outer CC+NC Efficiency enu_obs_ww_all_out 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 Monday, November 8, 2010 1 2 3 vertex in Out (w/ water) FV水ありOV vertex in Out (w/o water) FV水なしOV 4 5 6 7 8 9 10 Neutrino Energy [GeV] 10 • 全エネルギー領域において、黒と赤の検出効率が一致 Wednesday, February 2, 2011 12 検出器の詳細設計 / ! / リブ（フタ） * !"!#$#%#&#'(#) * !"!#$#%#&#'(#) *"*#$#%#&#'(# 外タンク ! ! 内タンク % フタ 図 １：FV全 体図 . ! ! • • • . タンク架台 * リブ（胴体） , 強度解析ツールANSYSを使用 * + * 外タンク、内タンクの各々について水圧に対する強度解析 外タンクは耐震解析も Wednesday, February 2, 2011 < < < < 7<=>131<1 '9%9:9;:'% 0123456 13 強度解析 正面図 側面図（内側） 内タンク y y x z 拘束条件 荷重定義 X方向対称、Z方向対称、X,Y,Z方向固定 水圧、自重 Wednesday, February 2, 2011 14 強度解析結果の例 フタの厚み 5mm 6mm DMX=4.2mm ハネの形状・位置 9mm DMX=2.9mm DMX=1.7mm 架台の脚の取り付け位置 25cm z=0 z=0 55cm SMX195MPa Wednesday, February 2, 2011 y=0 48cm 30cm SMX188MPa SMX271MPa SMX188MPa 15 耐震解析 X方向解析モデル Z方向解析モデル 0.5G 0.5G 1G 1G y y x z 拘束条件 荷重定義 X方向対称、Z方向対称、X,Y,Z方向固定 水圧、自重、横方向の加速度（0.5G） Wednesday, February 2, 2011 16 耐震解析の結果 X方向解析モデル 反対側 181 MPa 40.2 MPa 0.892 mm 20.1 MPa 変形量 4.178 mm 変形量 Wednesday, February 2, 2011 0.595 mm 相当応力 154 MPa 0.464 mm 相当応力 Z方向解析モデル MAX (272MPa) 17 強度解析・耐震解析の結果 • 強度解析 • 材料の引張強度に対し安全係数３を設定 • 外タンク・内タンクそれぞれクリア 材料名 引張強度 [MPa] 安全強度 [MPa] 鉄 400 130 ステンレス 520 170 アクリル 65 21 • 耐震解析 • 一時的な応力なので、引張強度以内であれば問題ない • 結果的に安全係数２程度をクリア Wednesday, February 2, 2011 18 水漏れ試験 • • 水漏れ試験：満水にして24時間静置 漏水箇所 • • • 板フランジの接合部分：フランジの取り付け方を工夫 ＋ 板ナットで対処 PMT取り付け窓3箇所：接着の不備 後日再試験をし合格 Wednesday, February 2, 2011 該当箇所のみ再接着 地下にインストール済み 19 等方性・再現性の確認 NORMALIZED PE, HV=1100V SET 1 1.8 SET 2 1.7 SET 3 1.6 SET 4 Entries NORMALIZED P.E. ANA20 NORMALIZED P.E. 1.5 Entries 6 1.4 154 10 8 SET 5 h1_pe_norm_hv1100 Mean 1.239 ± 0.01432 RMS 0.1778 ± 0.01013 Underflow 0 Overflow 0 4 1.3 2 1.2 0 0 1.1 2 3 4 5 6 7 8 CH ch2 1.22 ( 2.40%) ch6 ch3 ch4 1.46 ( 2.02%) ch5 Wednesday, February 2, 2011 1.45 ( 2.15%) 1.2 1.4 1.6 1.8 2 NORMALIZED PE 1.46 ( 3.30%) 12 Entries 10 8 1.33 ( 1.80%) 1 h1_pe_norm_corr_hv1100 NORMALIZED PE, HV=1100V [CORRECTED] Entries 1 1 0.2 0.4 0.6 0.8 ch7 1.30 ( 4.05%) ch8 1.25 ( 2.99%) 6 154 Mean 0.9167 ± 0.00946 RMS 0.1174 ± 0.006689 Underflow 0 Overflow 0 4 2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 NORMALIZED PE [CORRECTED] 20 キャリブレーション Wednesday, February 2, 2011 21 まとめ • Mizuche検出器の開発について • • • OV混入イベントは３％以下 水漏れ試験もクリアし、地下へインストール済み PMTのキャリブレーション • • • 光量カット（＞150p.e.）で検出効率がほぼ一致 強度解析・耐震解析を踏まえた検出器設計・製作 • • 系統誤差を抑えたSK予測を目標 MCによる測定原理の評価 • • • T2K前置ホールにてν反応数測定 154／164終えた 相対的量子効率・ゲインカーブを元に適切な印加電圧を設定する 検出器のアセンブリー、壁ミューオンを用いた光量キャリブレーションのステッ プを踏み、まずはFV水ありでのν反応数測定を行う Wednesday, February 2, 2011 22 まとめ • Mizuche検出器の開発について • • • FV内の水がある状態／ない状態での測定数の残差 光量カット（＞150p.e.）で2状態の検出効率がほぼ一致 強度解析・耐震解析を踏まえた検出器設計・製作 • • • 系統誤差を抑えたSKでのν反応数予測が最終的な目標 MCによる測定原理の評価 • • • 小型水チェレンコフ検出器によるν反応数測定 ＠ T2K前置検出器 安全係数３を保証 水漏れ試験もクリアし、地下へインストール済み 今後の予定 • • • 検出器のアセンブリー 砂ミューオンなどを用いた光量キャリブレーション FV水ありでのν反応数測定 Wednesday, February 2, 2011 23 バックアップ Wednesday, February 2, 2011 24 J-PARC加速器 ビームエネルギー 30 GeV スピル構造 8 bunches/spill ビーム強度 750 kW バンチ間隔 581 nsec 1スピル当たりの陽子数 3.3 x 1014 pps バンチ幅 58 nsec スピル周期 2.11 sec Wednesday, February 2, 2011 25 スーパーカミオカンデ • • • • • • 岐阜県飛騨市、神岡鉱山 地下1000m 直径39.3m、高さ41.4m 総質量5万トン（有効体積22.5トン） 20 PMT 11200本、8 PMT 1900本 太陽ニュートリノ、大気ニュートリノ観測 チェレンコフ光の光量・到達時間・リングパターンを測定 • 粒子の種類・エネルギー・発生点・運動方向などを 決定 • Wednesday, February 2, 2011 26 １年間で期待されるν反応数 • 測定時間比と統計誤差 • FV水あり：FV水なし = 2.5：2.0 測定状態 FV水あり FV水なし FV内 Wednesday, February 2, 2011 測定日数 ニュートリノ 反応頻度 ニュートリノ 反応数 56 199 (1490) 11065 (82985) 44 158 (1186) 7009 (52570) 41 (304) 27 期待される総光量分布 • # of events [1021POT] • 105 Efficiency to ! in FV Efficiency (total pe>150) to numu interacted in FV ヒットがあったPMTの光量の総和（total p.e.） enu_obs_ww_all_fv 1 ヒット ＝ 2 p.e. 以上入射したPMT 0.8 Total p.e. (log) 0.6totpe_ww_all_all 0.4 vertex in Tank (w/ water) vertex in FV (w/ water) 0.2 vertex in Out (w/ water) vertex in Out (w/o water) 104 0 0 1 2 3 4 5 6 • CC+NC CC 7 Monday, November 8, 2010 Wednesday, February 2, 2011 黒＝赤＋青 •9 OVで起こる反応の光量分布：青、緑 10 • 200 p.e.以下でとてもよく一致 8 103 500 • Neutrino Energy [GeV] Monday, November 8, 2010 0 8 実際に測定出来る分布：黒、緑 1000 1500 2000 2500 Total pe 7 28
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