T2K 実験 南野彰宏 ( 京都大学 ) 他 T2Kコラボレーション平成 25 年度宇宙線研究所共同利用成果発表会 2013 年 12 月 20 日 1

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1 T2K 実験 南野彰宏 ( 京都大学 ) 他 T2Kコラボレーション平成 25 年度宇宙線研究所共同利用成果発表会 2013 年 12 月 20 日 1

2 T2K 実験 J- PARC でほぼ純粋な ν µμ ビームを生成 生成点直後の前置検出器と 295km 離れたスーパーカミオカンデでニュートリノを観測 ニュートリノ振動の精密測定 T2K 実験における振動モード 1. ν µμ ν e (ν e 出現モード ) 2. ν µμ ν µμ 以外 (ν µμ 消失モード ) 2

3 ニュートリノ検出器 ~10m 16台の同一モジュール νビーム方向をモニター 後置検出器(Super- K) 41.4m 1.5m ビーム中心 TPC FGD TPC FGD TPC DS-ECAL ~10m on- axis前置検出器(ingrid) off- axis前置検出器(nd280) ID OD 39.3m 複合型検出器(FGD, TPCなど) 50kt水チェレンコフ検出器 3 振動前のν flux/spectrumを測定

4 データ POT (Proton On Target) のデータを取得 T2K 実験の目標統計の 8% 最高 235kW でのビーム運転を達成 ( 設計値は 750kW) Delivered # of Protons Rep=3.52s x10 19 à 50kW [6 bunches] x10 20 pot until Mar.11, 11 R un-1 3.2sà 3.04s à 145kW [8 bunches] R un-2 震災 3.01x10 20 pot until Jun.9, 12 Mar.8, s à 190kW R un s à 235kW 6.57x10 20 pot x10 12 until May.8, Run Protons Per Pulse

5 ニュートリノ振動解析の流れ ν フラックス予測 ハドロン生成実験データ ( 特に NA61@CERN) ビームモニター測定 Geant3 ベースのシミュレータ ND280 の測定 µ の運動量と角度分布 ν 反応断面積 MiniBooNE 等の実験データでモデル構築 & 誤差見積り ( シミュレータ =NEUT) ND280 フィット SK と ND280 で相関が強い systematc パラメータの誤差を削減 SK 予測 ND280 フィット後の systematc パラメータとその誤差 比較 SK 測定イベント数とエネルギースペクトラム 5

6 ND280 の測定とフィット 各ニュートリノ相互作用を高純度化した 3 サンプルに分類 ミューオンの運動量 角度分布をフィット SK と ND280 で相関の強い systematc パラメータとその誤差を導出 荷電カレント 0π サンプル荷電カレント 1π サンプル荷電カレントその他 フィットフィットフィット 6

7 ND280 フィットによる誤差の削減 ν フラックスと ν 反応断面積の systematc パラメータのうち Super- K と ND280 で相関が強いものの誤差を削減 Super- K の ν µμ フラックスの規格化と誤差 Super- K の ν e フラックスの規格化と誤差 7

8 ν µμ 消失モードの解析結果 Phys. Rev. Le_. 111, (2013) 2012 年 6 月までのデータ 3.01x10 20 POT 8

9 Super- K の ν µμ イベント選択 (3.01x10 20 POT) (1) リング数 =1 (2) ミューオンライク (3) 崩壊電子が 1 個以下 e- like µμ- like 58 イベントが選択 9 Super- K での ν µμ 候補イベント数に対する系統誤差 SystemaTcパラメータ ND280フィット前 ND280フィット後 νフラックス / 反応 (ND280フィット) 21.8% 4.2% ν 反応 (ND280フィットしない) 6.3% Super- K 10.7% Total 25.1% 13.1% Δm 322 =2.4x10-3 ev 2 /c 4, sin 2 2θ 23 =1.0の場合

10 ν µμ 消失モードの解析結果 (3.01x10 20 POT) Super- Kでのエネルギー分布を尤度比を用いてフィット Run1-3 のデータで世界最高レベルの精度で測定 sin 2 θ 23 =0.514 ± m 2 32 = ev2 /c 4 1 再構成されたエネルギー分布 sin 2 2θ 23 - Δm 322 の信頼領域 T2K Run1-3 data T2K Run1-3 data 2013 年 5 月までのデータの解析結果を近日発表予定 10

11 ν e 出現モードの解析結果 arxiv: [hep- ex] accepted by PRL 2013 年 5 月までのデータ 6.57x10 20 POT 11

12 Super- K の ν e イベント選択 (6.57x10 20 POT) イベント再構成アルゴリズム 従来 : リングの発光パターンでフィット (POLfit) 今回 : 様々な粒子を想定し 時間 電荷を予想して複数の飛跡までフィット (fitqun) π 0 除去以外のイベント選択 : 従来と同じ π 0 除去 従来 : 再構成した π 0 質量のみでカット 今回 : 再構成した π 0 質量と尤度比を用いた 2 次元カット ν e イベント数は - 2%, π 0 B.G. は - 70% ( 従来との比較 ) π 0 バックグラウンド (MC) データ 28 イベントが選択 ν e 信号 (MC) 28 12

13 ν e 候補イベント数と系統誤差 (6.57x10 20 POT) Super- K での ν e 候補イベント数 (ND280 フィット後 ) データ 28 MC sin 2 2θ 13 =0 sin 2 2θ 13 =0.1 ν µμ ν e 信号 ν e B.G ν µμ B.G ν e + ν µ B.G MC 合計 sin 2 2θ 23 =1.0, Δm 322 =3.4x10-3 ev 2 (Normal hierarchy), δ CP =0 Super- K での ν e 候補イベント数に対する系統誤差 SystemaTcパラメータ sin 2 2θ 13 =0 sin 2 2θ 13 =0.1 NDフィット前フィット後 NDフィット前フィット後 νフラックス / 反応 (NDフィット) 21.7% 4.8% 25.9% 2.9% ν 反応 (NDフィットしない) 6.8% 7.5% Super- K 7.3% 3.5% 合計 24.0% 11.1% 27.2% 8.8% 13

14 ν e 出現モードの解析結果 (6.57x10 20 POT) Super- K での電子の p- θ 分布を最尤法を用いてフィット θ 13 =0 を 7.3σ で棄却し ν µ ν e 振動を発見 Δm 322 =2.4x10-3 ev 2, sin 2 θ 23 = 0.5, δ CP =0 のとき Normal hierarchy (Δm 322 >0) Inverted hierarchy (Δm 322 <0) sin θ 13 = sin θ 13 = θ 13 -δ CP の信頼領域 T2K の ν µ 消失モードの解析結果 (θ 23, Δm 322 への制限 ) を尤度関数に追加 Normal hierarchy Inverted hierarchy Reactor 1σ range Reactor 1σ range 14

15 δ CP への制限 (6.57x10 20 POT) T2K の測定結果と原子炉ニュートリノによる θ 13 の測定結果とを組み合わせて δ CP への制限を与えた δ CP =- π/2 が最も好まれる 以下の領域を 90% C.L. で棄却 0.19π < δ CP < 0.80π (Normal hierarchy) - π < δ CP < π, π < δ CP < π (Inverted hierarchy) 15

16 今後の目標と予想感度 16

17 今後の目標 T2K が ν µ ν e 振動を 7.3σ で発見し 原子炉実験が sin 2 2θ 13 を高精度で測定した T2K 実験の今後の目標 θ 23 と Δm 322 の精密測定 δ CP θ 23 octant ν 質量階層性の測定 予想感度 study 今回は θ 23 octant のみ発表する (δ CP と MH は別の機会に ) T2K approved POT = 7.8 x POT ν e 出現モードと ν µ 消失モードを同時に解析 ν モードでのデータ収集も想定する 17

18 予想感度 (θ 23 octant) 2 32 Δ m 2 32 Δ m Case study: sin 2 θ 23 = 0.4, Normal hierarchy の場合 % POT ν 50% -3 POT ν + 50% POT ν NH IH sin θ NH IH sin θ 23 90% C.L Δ m 2 32 Δ m With δ(sin 2 2θ )= 原子炉実験の予想感度 2.3 NH IH sin θ NH IH sin θ 23 sin 2 θ 23 octant nearly determined! octant をほぼ決定 実線 : 系統誤差なし点線 : 系統誤差あり sin 2 2θ 13 =0.1 δ CP =0 Δm 322 =2.4x10-3 ev 2 13 =0.1, δ CP =0,sin 2 θ 23 =0.4, and m 2 32 = ev 2,NH 10 / 21 18

19 予想感度 (θ 23 octant) 90% C.L. の感度 ( 青色の領域内なら octant を決定可 ) 実線 : 系統誤差なし点線 : 系統誤差あり θ 23 True sin % POT ν 50% POT ν + 50% POT ν 2 θ 23 True sin True δ CP True δ CP T2K仮定 has 90% C.L. sensitivity to determine the θ 23 octant for the true values sin 2 2θ of 13 =0.1 sin 2 θ 23 and δ CP which fall within shaded regions Δm 322 =2.4x10-3 ev 2 (Normal hierarchy) 19 原子炉実験の予想感度 δ(sin 2 2θ 13 )=0.005

20 振動解析以外 20

21 ニュートリノ反応断面積測定 ND280 によるニュートリノ反応断面積測定 CC- inclusive on CH CCQE on C 様々な測定が進行中 系統誤差の削減に重要 Preliminary INGRID によるニュートリノ反応断面積測定 CC- inclusive on Fe CC- inclusive on CH CC- inclusive rato on Fe/CH Preliminary Preliminary Preliminary 21

22 まとめ ν e 出現モード θ 13 =0 を 7.3σ で棄却し ν µ ν e 振動を発見 T2K 実験の結果と原子炉ニュートリノの測定結果とを組み合わせて δ CP への制限を与えた ν µ 消失モード 2012 年 6 月までのデータを使い nm 消失モードの解析を行い 世界最高レベルの精度で θ 23 と Δm 322 を測定した 2013 年 5 月までのデータを使った解析結果を近日公開予定 今後の目標 θ 23 と Δm 322 の精密測定と δ CP θ 23 octant ν 質量階層性の測定 振動解析以外 ニュートリノ反応断面積の測定など さまざまな解析が進行中 22

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