Quark 2010

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1 T2K 実験の最新結果 亀田純 ( 東京大学宇宙線研究所 ) for T2K collaboration 九州大学セミナー 2011 年 7 月 27 日 kameda@suketto.icrr.u-tokyo.ac.jp 1

2 Outline Introduction of T2K experiments Physics Goal Experimental setup & status Physics results n e appearance analysis (New! published at Jul. 18) n m disappearance analysis (Very New!! Released at Jul. 22) Summary 2

3 T2K collaboration Canada TRIUMF U.Alberta U.B.Columbia U.Regina U.Toronto U.Victoria York U. France CEA Saclay IPN Lyon LLR E.Poly LPNHE Paris Germany U.Aachen Italy INFN, U.Roma INFN, U.Napoli INFN, U.Pabova INFN, U.Bari Japan Horoshima U. ICRR Kamioka ICRR RCCN KEK Kobe U. Kyoto U. Miyagi U. Edu Osaka City U. U. Tokyo Poland A.Soltan, Warsaw H.Niewodniczanski, Cracow T.U.Warsaw U.Silesia, Katowice U.Warsaw U.Wroklaw Russia INR S.Koria N.U.Chonnam U.Dongshin U.Sejong N.U.Seoul U.Sungkyunkwan Spain IFIC, Valencia U.A.Barcelona Switzerland U.Bern U.Geneva ETH Zurich United Kingdom Imperial C.London Queen Mary U.L. Lancaster U. Liverpool U. Oxford U. Sheffield U. Warwick U. STFC/RAL STFC/Daresbury 62 Institute from 12 Countries,, ~500 physicists. U.S.A. Boston U. B.N.L. Colorad S.U. Duke U. Louisiana S.U. Stony Brrok U U.C.Irvine U.Colorado U.Pittsburgh U.Rochester U.Washington 3

4 T2K (Tokai to Kamioka) 長基線ニュートリノ振動実験 大強度な off-axis ニュートリノビームを用いた最初の長基線 n 振動実験である Super-Kamiokande Running experiment JPARC 750kW(design) JPARC 加速器により生成される大強度のニュートリノビーム off-axis neutrino beam を用いた最初の長基線 n 振動実験 Super-Kamiokande を Far 検出器とし 新しく Neutrino 前置検出器を設置 Physics Goals: n m n e ニュートリノ振動の発見 n m disappearanceの精密測定 4

5 Introduction: Neutrino Oscillation ニュートリノの flavor は質量固有状態の重ね合わせである 2-flavor case: 距離 L だけ飛行した後に n a が n a である確率 2 2 P( n n ) 1sin 2q sin ( m a m a 2 m 2 2 m 2 1 4E) : mass square difference 2 L q : mixing angle L : flight distance E : neutrino energy m i : neutrino mass 有限のニュートリノ質量 質量固有状態の混合 n a がn a である確率が振動する ニュートリノ振動 5

6 ニュートリノは振動しているスーパーカミオカンデにおける大気ニュートリノによるニュートリノ振動の研究 大気中の宇宙線の反応によって生成されるニュートリノ = 大気ニュートリノ ミューオン型ニュートリノ 電子型ニュートリノ p A N... m n ( n ) m m m e n ( n ) n ( n ) m m e e w/ n osci w/o n osci ミューオン型ニュートリノの数を見ると 上向き (L~13,000km) の数が有意に減っている n m n t ニュートリノ振動で良く説明出来る q ~ 45 m 2 ~ 2.5x10-3 (ev 2 ) 6

7 ニュートリノは振動している ( 太陽ニュートリノ 原子炉ニュートリノ ) 太陽中の核反応によって生成される電子ニュートリノ ( 太陽ニュートリノ ) の荷電カレント (Charged current) 反応の数が 予言値よりも小さい Y.Suzuki,ICRC2003 P.Dekowski, Neutrino2008 原子炉内の核反応によって生成される反電子ニュートリノ ( 原子炉ニュートリノ ) の数が エネルギーに依存して減っている KamLAND 実験 q ~ 34 m 2 ~ 8x10-5 (ev 2 ) 7

8 Flavor eigenstates Mass eigenstates ニュートリノには 3 つの flavor がある (Maki-Nakagawa-Sakata-Pontecorvo Matrix) ne nm nt U ai n 1 n 2 3 n cosq 23 sinq 23 0 sinq cosq cosq13 0 sinq13e i sinq e 13 0 cosq i 13 cosq12 sinq 0 12 sinq cosq n1 0n 2 1 n 3 Atmospheric n, Accelerator n experiments (K2K, MINOS, T2K..) q 23 ~ 45 m 2 23 ~ 2.5x10-3 (ev 2 ) Reactor n, Accelerator n, Atm. n sin 2 2q 13 < 0.14 Solar n, Reactor n q 12 ~ 34 m 2 12 ~ 8x10-5 (ev 2 ) 2 2 m m m Only Upper limit 2 ij i j q 13 は non-zero か? Lepton Sector では CP は破れているのか? 8

9 ニュートリノの質量は? ニュートリノ振動 ( 続き ) ニュートリノ振動は質量の 2 乗の差の函数で 質量の絶対的な大きさは分からない ニュートリノ振動の観測から現在わかる事は 二つの質量のスケールが存在すること 2 通りの順番の可能性が存在する 加速器ニュートリノ 大気ニュートリノでの n e appearance の研究を通してこれに知見を得られるかもしれない Physics goal of T2K: Measure finite q 13 by n e appearance search: P( n e) sin 2q sin q sin m L / 4E n m m m 順質量階層 Precise measurement of q 23, m 2 23 by n m disappearance P( n n ) 1sin 2q sin m L / 4E 逆質量階層 9

10 p Target & Horns 0m m monitor 118m T2K 実験の原理 N n ND (obs), En ND (obs) 2.5 Near Neutrino Detectors 280m Extrapolation using MC simulation n m N n SK (expect), En SK (expect) Comparison n oscillation parameters Far Detector (SK) N n SK (obs), E n SK (obs) 295km 加速器からの proton を用いて生成したニュートリノビームを 295km 先の Super-Kamiokande で観測し 観測値と期待値と比較する事で neutrino oscillation のパラメタを調べる 近距離には Near Neutrino Detectors (ND) 群を設置し ニュートリノ振動前のニュートリノの event rate エネルギースペクトラムを測定し Super- Kamiokande の予想値計算に使う ( 今回は数のみを使用 ) 10

11 実験の原理 ( つづき ) Far Detector での予想値を計算する為に ニュートリノビームの flux エネルギースペクトラムが必要 そのために詳細な Monte Carlo シミュレーションを開発 使用した Inputs to beam MC for Tuning Targeting condition: Measured values by proton beam monitors. Horn focusing effect, geometrical acceptance.,k kinematics: From CERN NA61 experiment. Super-Kamiokande で T2K ビームイベントを捕えるためには ビーム射出時間から予想される到着時刻を使う 時間は GPS を用いて測定 11

12 Off-axis neutrino beam (Originally discussed by D.Beaves et al, a Proposal of BNL AGS E889) ミューオン型ニュートリノは pion の 2 体崩壊 (n m +m) から出来る p CMS m 2 m 2m 2 m ( 29MeV/c) p Lab 2( E m 2 m p 2 m cosq ) より高い p の場合 楕円とqの線が交わる所がニュートリノの運動量 ブーストされると運動量は大きくなるが ある値より大きくなると交点はだんだんと原点に近くなる つまりゼロでないqを決めると P 12 lab には上限値が存在する

13 Neutrino flux * s, (au) Neutrino Cross section / En (10-38 cm 2 ) Off-axis beam Pseudo-monochromatic な neutrino beam Oscillation L=295km m 2 = , [ev 2 ] OA0 OA2 OA2.5 OA3 OA = 2.5 is selected. このエネルギーでは Charged Current (CC) Quasi-elastic (Q.E.) scattering が主反応 ; q: off-axis angle beam axis n m (n e ) + n m(e) + p ハドロン生成を伴うような high energy interaction を減らせる 13

14 荷電カレント準弾性散乱 (Charged Current, Quasielastic, CCQE) からの電子を探す n e + n e - + p Background events: Beam n e induced events: n e + n e - + p NC 0 production: n + N n + N + 0 Physics Goal of T2K 1. n m n e oscillationの発見 ( および q 13 の測定 ) g + g Reconstructed En of n e CCQE enriched sample (at Super-Kamiokande ) Assuming sin 2 2q 13 = 0.1 m 2 13 = 2.4x10-3 ev 2 Signal / B.G ratio ~ 3 B.G. Reconstructed En (MeV) 将来的にはNearDetectorで beam n e flux, 0 production rate を測定する事でB.G. の不定性を軽減する 14

15 Counts / 100MeV (a.u.) Physics Goal of T2K 2. n m disappearance の精密測定 ニュートリノ振動によってエネルギースペクトラムの歪みとイベントの減少が引き起こされる nm CC Q.E. イベントを enrich したサンプルを用い En の歪みを見る Reconstructed En of n m CCQE enriched sample (at Super-Kamiokande) null oscillation E n mn m N 2 El ml / 2 E p cosq l l l w/ n m n t oscillation sin 2 2θ 23 =1.0 Δm 232 = ev 2 CCQE n m n q p m Reconst. Neutrino Energy [GeV] m 2 ~ 10-4 ev 2 sin 2 2q ~ 1% の精度での測定を目指す 15

16 Experimental Setup J-PARC Accelerator and Experimental Facility 30GeV Proton synchrotron 8 bunch (from Autumn 2010), 581ns interval ~ 0.3 Hz repetition rate Construction finished 2008 JFY 16

17 # of total protons for analysis Summer shutdown T2K run 1 (Jan. to Jun. 2010) 6 bunches/spill, 3.5 s spill period 3.23 x POT for analysis ~50 kw operation T2K run 2 (from Nov. 2010) 8 bunches, 3.04 s spill period x POT for analysis reaches to ~145 kw 17

18 Neutrino Beam line m-monitor 280m Target &horns Graphite target (21mmf, 90mm) 3 magnetic horns (250kA currently) n Near Detectors Decay Volume (110m length) on-axis off-axis Extraction point Bird s eye photo in July

19 Muon center Beam direction / intensity stability using Muon Monitors Y Located downstream of beam dump. Monitoring muons from pion decay ( n + m ) with a threshold of Pm> 5GeV/c. Monitoring spill-by-spill. Physics requirement: control beam direction < 1mrad. Si detector muon X 7 x 7 PIN photo-diode array. 25cm spacing 7x7 Ion Chambers Beam dir. stability < 1mrad X center Y center ビーム方向は良く安定している 19

20 On-Axis Near Detector (INGRID) A module is calorimeter of Scintillator tracking plane /Iron plane. 7modules in horizontal, 7 modules in vertical. ニュートリノビームの方向を一日ごとに測定 X Y n Neutrino Beam Profile Preliminary No syst. error considered. A fitted gaussian Event display 20

21 INGRID によるニュートリノビームの安定性の測定 ( 方向 yield) ニュートリノ反応 /Proton 数 ν ビーム方向 (INGRID) INGRID ν int. rate stability Run 1+2 / Run 1 < 1% ν beam dir. stability < 1mrad ニュートリノビームの yield および方向は良くコントロールされ 安定している

22 Off-Axis Detector (ND280) Measure neutrino flux and cross section UA1 Magnet 0.2 T field Tracker Region: Fine Grained Detectors (FGDs) & TPCs Particle Tracking (p,q) & identification P0D Measure NC 0 rate Includes a water target in P0D and FGD2 Understand interactions on H 2 0 target ECAL (Downtream Currently Installed) Surrounds tracker and P0D Capture EM energy Rest of ECAL is to be installed this summer SMRD Muon ranging instrumentation in the magnet yoke n beam direction SMRD 22

23 Far detector: Super-Kamiokande IV Inner Detector (ID) 39.3m 41.4m Outer Detector (OD) 神岡鉱山内地下 1km に設置 宇宙線ミューオンは地表の 10 万分の 1 有効体積 22.5kton( 総体積 50kton) の水チェレンコフ検出器 内水槽 (ID) に 11,129 本の 20inch PMT 外水槽 (OD) に 1,885 本の 8inch PMT デッドタイムレス DAQ : 2008 年 毎スピルの GPS 時間情報をリアルタイムで受け取り ニュートリノ到達予定時間の ±500msec 内の全 PMT ヒットを記録 4 acceptance, very efficient 0 /e separation. High Particle ID (m/e) power (~99% at 600MeV/c) Good energy reconstruction. Methods are established. 23

24 Electron-like and muon-like events at SK チェレンコフ光の作る輪のイメージと円錐の opening angle を使う 24

25 Super-Kamiokande での Event 数の予想値の計算方法 N exp SK R m, Data ND m, MC RND N MC SK Expected SK events by MC Beam MC で計算された n flux, cross-section, 及び Super-Kamoikande の full simulation を用いて計算する 全ての neutrino の種類を考慮 n m, n e, anti- n m, and signal n m n e ) NDでの νμ event rate Run 1 (2.88 x p.o.t.) でのInclusive νμ charged-current eventの測定の値をnormalizationに使う イベントレートの安定性はRun1,Run2を通して1% 以下のふらつきで安定 (INGRID ν int. rate stability Run 1+2 / Run 1 < 1%)

26 Neutrino flux の予言値 (beam MC) Simulate using NA61 measurement 詳細な T2K ニュートリノビームの MC simulation を開発 NA61 実験 (p+c による pion 生成の測定 ) の (p, q) 測定を使用 実験のカバーしない領域は FLUKA を使用 ターゲットの外側は GEANT3 ベースの MC シミュレーション Predicted neutrino flux at SK 26

27 Off-axis ND による n m イベントレートの測定 (Flux)x(cross section) が予言値と合っているか検証 同時に測定した event rate を Super-K での期待値の normalization に使う Measure # of inclusive nm charge current interactions N exp SK R m, Data ND m, MC RND N MC SK 27

28 ND での inclusive νμ CC events (νμ + N μ + + X) の測定 p.o.t. normalized Data は我々の beam MC を ν interaction model からの予言値と良く合ってる! 結果

29 Intrinsic beam n e 支配的なソースは pion からの decay-chain 今回の解析では ne の Near Detector での測定は使わず beam MC の予言値を使う 29

30 n e appearance の研究結果 (n m n e oscillation) Phys. Rev. Lett. 107, (2011) Published July 18, 2011 preprint : arxiv: : Indication of Electron Neutrino Appearance from anaccelerator-produced Off-axis Muon Neutrino Beam 30

31 解析の方法 Super-Kamiokande で測定された n e イベントの数を期待値と比較することで n e の appearance を検証する バックグランドの低いサンプルを選び出すことが必要 精度のよい予言値 ( 信号 バックグラウンド共に ) が必要 Systematic error を良く理解する事が必要 信号 oscillated n e (mainly n e + n e + p) バックグラウンド ビームに intrinsic な n e NC 0 production 31

32 Super-Kamiokande での n e 事象選択条件 1. T2K ビームタイミング & Fully-contained (FC) 2. 事象発生点が有効体積 (FV) 内 ID の外で起こった事象を取り除くため Event 再構成の performance を保つため 3. チェレンコフリングの数が 1 つ 4. 粒子識別 (PID) により electron-like 5. 電子エネルギー (visible energy) が 100MeV 以上 NC バックグラウンドや チェレンコフしきい値以下の や m の崩壊による電子の事象を落とすため 6. 付随するミューオン崩壊電子事象がない チェレンコフしきい値以下の や m を含む事象を落とすため

33 Number of events /(15 MeV/c2 ) Super-Kamiokande での n e 事象選択条件 ( つづき ) 7. 2 つの g リングを仮定して再構成をしたときの不変質量が 105MeV/c 2 以下 NC 0 BG を落とすため 8. 再構成した n エネルギーが 1250MeV 以下 ビームに intrinsic に含まれる n e を落とすため Osc. n e CC n m + n m CC n e CC NC (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) Invariant mass (MeV/c 2 ) 以上の8つの選択条件により n m CCの99.9% beam n e CCの77% BG NCの99% を落とすことができる一方 信号事象については 振動によるn e CCの66% を残すことができる

34 sin 2 (2q 13 )=0 の時の期待値 今回のデータ (1.43 x p.o.t.) での期待値は exp N SK ( syst.)events for sin 2 (2q 13 )=0 Beam n m CC background Beam n e CC background (m 232 =2.4x10-3 ev 2, sin 2 (2q 23 )=1.0, CP =0) NC background Oscillated n m n e (solar term) Total Expected # of events % of NC background is due to 1 0 events Estimate +22.8% -22.7% systematic error for N sk exp (next page) 34

35 Systematic uncertainty on N SK Error Sources Sys Error of Nsk n Flux ±8.5% n Interaction ±14.0% Near Detector の測定 +5.6% -5.2% Far Detector ±14.7% Near detector stat. ±2.7% Total +22.8%-22.7% Near Detector の測定 TPC を使った event selection の不定性 n beam Flux hadron production (NA61 の測定 ) の不定性が支配的 n interaction cross section NC 0 production, pion の核内 水中での反応の不定性が支配的 ND/SK でのターゲットの違い n m /n e x-section なども考慮 35

36 0 Super-Kamiokande での不定性 除去の不定性 NC 0 が background になるのは 0 2g のうちの一つを見つけられない為 この 見つけられなさ 具合を Data/MC で比較する事で systematic uncertainty を見積もる atm.n e-like event (Data) atm.n e-like event (MC) 大気ニュートリノの電子事象と simulation の g 線を組み合わせた 疑似 0 事象を作る 0 の kinematics は T2K での 0 を再現するように作る simulated g simulated g チェレンコフ光の水中での散乱 E-M shower の simulation などの不定性 ( 不完全性が Data/MC の差を生むと考えられる 0 rejection は 18% の不定性と見積もった Invariant Mass (MeV/c 2 ) 36

37 (P MC P Data )/P MC (%) PID probability % Super-Kamiokande での不定性 m の Mis-identification cosmic ray muon MC Data over 3GeV/c atm. n CC nm enriched sample Muon の Particle ID は Cosmic m や大気ニュートリノの n m event を使ってよく調べられている この運動量領域では Mis-ID = ~1.0% % と見積もられている ミューオンを仮定して計算した運動量 (MeV/c) nm CC の 1-Ring サンプルはおよそ 30 event なので 高々 30event*0.3% = 0.01event の不定性 negligible 37

38 実データの結果 SK events in beam timing 2 atm n events (1.9 ev exp t) Fiducial volume カット後 88 events が残った (T2K neutrino 事象では無い BG ~ expected) 38

39 Number of events Number of events n e 事象選択 チェレンコフリングの数が 1 つ 粒子識別により electron-like 40 Data Osc. n e CC n m + n m CC n e CC NC (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) Data Osc. n e CC n m + n m CC n e CC NC (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) ³5 Number of rings PID parameter 41 事象 8 事象

40 Number of events /(100 MeV) Number of events n e 事象選択 ( つづき ) Visible energy > 100MeV 付随する m 崩壊電子は Data Osc. n e CC n m + n m CC n e CC NC 10 Data Osc. n e CC n m + n m CC n e CC NC (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) Visible energy (MeV) ³5 Number of decay-e 40 7 事象 6 事象

41 Number of events /(15 MeV/c2 ) Number of events /(250 MeV) n e 事象選択 ( つづき ) 不変質量 < 105MeV/c 2 再構成 E n < 1250MeV 5 4 Data Osc. n e CC n m + n m CC n e CC NC 3 Data Osc. n e CC n m + n m CC n e CC NC 3 (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) 2 (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) Invariant mass (MeV/c 2 ) Reconstructed n energy (MeV) 41 6 事象 6 事象

42 Number of events at each cut step (MC w/ sin 2 2q 13 = 0.1) Data BG expectation Total n m CC n e CC NC n m n e expect. Interaction in FV FCFV Single-ring e-like E vis > 100 MeV No decay-e M inv < 105 MeV/c E n rec < 1250 MeV Efficiency - 1 % < 0.1 % 23 % 1 % 66 %

43 n e appearance の結果 Result with T2K 1.43 x p.o.t. 最終的に残ったイベント数 6 sin 2 2q 13 =0 の期待値 1.5 ± ±0.3 の期待値で 6 イベント観測される確率は 0.7% (~2.5s significance) n e appearance (q 13 0) の indication! 43

44 n e candidate events According to visual examination, six events are consistent with n e CC events visible energy : 1049 MeV # of decay-e : 0 2γ Inv. mass : 0.04 MeV/c 2 recon. energy : MeV 44

45 Allowed region of sin 2 2θ13 & m 23 2 Normal Inverted 二つの質量階層性の場合について解析を行った (assuming Δm 2 23=2.4 x 10-3 ev 2 ) 0.03 < sin 2 2θ13 < < sin 2 2θ13 < 0.34 sin 2 2θ13 =0.11 sin 2 2θ13 =0.14

46 Allowed region of sin 2 2θ13 for δcp 1-dimensional sin 2 2θ13 limit for each δcp Feldman-Cousins method was used for constructing acceptance region (assuming Δm 2 23=2.4 x 10-3 ev 2 ) Normal Inverted 90% C.L. interval and best fit (for Δm 2 23=2.4 x 10-3 ev 2, δcp=0) 0.03 < sin 2 2θ13 < < sin 2 2θ13 < 0.34 sin 2 2θ13 =0.11 sin 2 2θ13 =0.14

47 Comparison with MINOS result New result from MINOS (2011 ) 62 n e candidate events observed BG expectation: 49.5 ± 7.0 (stat.) ± 2.8 (syst.) NC background dominated sin 2 2q13 < 0.12 (0.19) allowed at 90% C.L. Exclude q 13 =0 at 89% CL T2K result is consistent with MINOS 47

48 T2K n e summary n m n e appearance の indication をついに得た! 6 イベントの n e candidate を観測 1.5 ± 0.3 (syst.) の期待値 (sin 2 (2q 13 )=0) q 13 がゼロだという仮定では 6 イベント以上を観測する確率は (equivalent to 2.5 s) 0.03 (0.04) < sin 2 (2q 13 ) < 0.28 (0.34) at 90% C.L. for normal (inverted) hierarchy (assuming m 2 23=2.4 x 10-3 ev 2, CP=0) 48

49 n m disappearance analysis (n m n t oscillation) This result is opened at July 22, Very New result!! 49

50 P( n n m disappearance 解析の手法 2-flavor neutrino oscillation (n m n t ) をテストする m n ) 1sin イベントの数と再構成されたエネルギースペクトラムの二つの情報を用いる Maximum likelihood method( 最尤法 ) を用い oscillation parameters とその allowed region を推定する m 2 2q sin m 2 L / E L L norm L shape L sys 系統誤差は Likelihood の中でも考慮されている 50

51 もう少し詳しく書くと 2 2 L( m,sin 2q, f ) Likelihood の定義 exp 2 2 N N m f N m f SK (,sin 2q, ) exp 2 2 exp (,sin 2q, ) N SK obs i1 PDF ( E 1 exp 2 t N fm obs SK rec. i 1! ; m f 2,sin obs SK 2 2q, f ) SK : Normalization term. ポアソン分布 : Reconstructed Neutrino energy spectrum Probability density function の積 (un-binned) : Systematic error terms. Assuming the 多次元のガウス分布 Number of eventsはポアソンを Energy spectrum shapeはpdfを用いた un-binned likelihoodを使用 fはsystematic errorを表現するparameter 各 (sin 2 2q,m 2 ) に対してfをfitting parameterとしてlikelihoodを最大化する 51

52 Super-Kamiokande での n m 事象選択条件 1. T2K ビームタイミング & Fully-contained (FC) 2. 事象発生点が有効体積 (FV) 内 ID の外で起こった事象を取り除くため Event 再構成の performance を保つため 3. チェレンコフリングの数が 1 つ 4. 粒子識別 (PID) により muon-like 5. muon の運動量が 200MeV 以上 チェレンコフしきい値以下の や m の崩壊による電子の事象を落とすため 6. 付随するミューオン崩壊電子事象 <=1 チェレンコフしきい値以下の,m を含む事象を落とすため

53 Event selection at Super-K (3) e-like (4) m-like (3) # of Cherenkov ring is 1 (single-ring) (4) electron-like ring (5) Reconstructed momentum> 200 MeV/c (6) # of delayed electrons <= 1 (5) (6) 53

54 Basic distributions of n m sample データと MC (w/ 2-flavor oscillation) は良く合っている 54

55 Summary of Number of events at each event selection step Data Total MC w/ 2-flavor oscillation n m CCQE n m CC non-qe n e CC Interaction in FV FCFV Single-ring m-like < P m > 200 MeV/c < N(decay-e) < Efficiency - 20 % 72 % 21 % 0.4 % 3 % MC with 2-flavor oscillation assumes (sin 2 2q,m 2 )=(1.0,2.4x10-3 ev 2 ). n m のコラムには n m と anti- n m の両方が入ってる NC

56 Super-Kamiokande での期待値 (number of events) 期待値は n e の計算と同じ ND による normalization を行う N exp SK R m, Data ND m, MC RND N MC SK CC n m の cross section の不定性のキャンセルを考慮 Error Sources Sys Error of Nsk (w/o osc) n Flux % ±4.8% Sys Error of Nsk (w/ osc) n Interaction % % Near Detector +6.2% -5.9% +6.2% -5.9% Far Detector ±5.1% ±10.3% Total +13.2%-12.7% +15.4%-15.4% Null osc W/ osc 103.7evt 28.4 ev ナローバンドビームの為 N SK が大きな m 2 依存性を持つ 56

57 スペクトルの形のエラー Super-Kamiokande での期待値 (Energy Spectrum) Energy Spectrum は beam MC, n cross section の model に基づいた MC で計算 ND の measurement は使っていない 白 :total 黒 :Super-Kamiokande 起因 Oscillation maximum 付近で ~10% のエラー 低エネルギー近傍では ~30% 57

58 Allowed region of the parameters Minimum χ 2 (χ 2 min.) is obtained at (sin 2 2θ, Δm 2 ) = (0.99, 2.6x10-3 ). ニュートリノ振動が無いという hypothesis は 4.5s で disfavored. (N SK のみを使った計算 ) Best Fit (0.99, 2.6x10-3 ev 2 ) W/o systematic errors (0.98, 2.6x10-3 ev 2 ) Allowed parameter region は Feldman &Cousins approach を用いて計算 Good agreement with other experiments (Super-K, MINOS) 58

59 Energy spectrum at bestfit point 実データと oscillation を仮定した MC は良く合っている nmnt 振動から予想される #of events は 29.1 であって 観測された 31 イベントと consistent.

60 Survival probability 再構成されたニュートリノエネルギー分布を ニュートリノ振動が無い場合の MC で割った 明確な振動パターンが観測された! 今後の精度の良い m 2 の測定を予見させる

61 Summary of n m disappearance analysis n m CCQE enriched サンプルを用いて解析を行った 今回のデータでは 31 事象が観測された (Oscillation 無しの場合の期待値は 104event.) Maximum likelihood method を用い ニュートリノ振動パラメタの推定を行った likelihood にはイベント数とエネルギースペクトラムの形の情報が使われている Best fit: (sin 2 2q, m 2 ) = (0.99, 2.6x10-3 ev 2 ) Allowed parameter region at 90% C.L is 0.86 < sin 2 2q 2.1x10-3 ev 2 <m 2 <3.1x10-3 ev 2 クリアーな oscillation pattern が観測された 他の実験 (Super-K, MINOS, K2K) と consistent な結果

62 Summary T2K 実験の結果を報告した (1.43x1020p.o.t. を用いた解析 ) n e appearance 解析 ゼロでない q13 の indication を得た! Allowed region: 0.03 (0.04) < sin2(2q 13 ) < 0.28 (0.34) at 90% C.L.for normal (inverted) hierarchy (assuming m 2 23=2.4 x 10-3 ev 2, CP =0) n m disappearance analysis 90% C.L. allowed region: 2.1x10-3 < m 2 < 3.1x10-3 ev 2, sin 2 2q> 0.85 Null oscillation hypothesis is excluded at 4.5 s Consistent with other n m oscillation results クリアな振動パターンの観測 高い精度での測定を期待させる 62

63 これから non-zero q 13 を確定させる J-PARC neutrino beam の早い復旧 2011 Dec からの再開をめざしている Analysis の改善 NA61 実験の新しいデータによる syst. error. の改善 ND のより詳しい解析 (n m CCQE, n e, x-section, energy spectrum,...) SK systematic error の改善 ne 解析に Energy spectrum を入れて sensitivity を改善する Double CHOOZ 実験 ( 原子炉ニュートリノを用いた反電子ニュートリノによるq13の探索実験 ) の結果が夏にリリースされるかもしれない Still exciting, stay tuned! 63

64 Supplements 64

65 65 n e sample の vertex 分布

66 Event classification All sample NHITAC : Number of OD PMT hits in a cluster PE300 : Total Q of ID PMT hits in a 300ns window Calibration flag NO NHITAC >= 16 NO PE300 < 200p.e. NO Flasher test NO FC events YES YES YES YES Reject events OD candidates LE events Flasher events Pattern matching to flasher event database Hit timing distribution (Flasher events tend to have a longer tail) 66

67 INGRID Module : Iron target (9 layers) + Tracking plane (11 layers) + Veto plane (3~4 layers) n m Typical neutrino event µ p Tracking plane (24 ch x 2layer (X, Y)) Scintillator WLS fiber MPPC (Multi Pixel Photon Counter) MPPC 67

68 T2K data acquisition at Super-Kamiokande T2K events are acquired by GPS timing information of beam GPS timing information of every spill are transferred to SK within ~1sec J-PARC SK spill spill spill n Time of Flight of 295km GPS timing information transferred to Super-K using network. All the PMT hits in +-500msec from spill timing at SK are recorded as T2K triggered event. Low energy activity induced by neutrino interaction can be acquired. (ex. deexcitation g s from nuclei induced by NC elastic scattering ) GPS +-500ms +-500ms +-500ms timing of hit PMTs GPS 68

69 Reconstructed Neutrino energy distribution at Super-K Fraction of the interaction modes Spectrum with various sin 2 2q, m 2 w/o oscillation w/ oscillation 69

70 First T2K beam n Event at Super-Kamiokande Event display 3D view OD ID 2010/02/24 6:00:06 Vertex is inside fid.vol. Multi Cherenkov ring 2 Fully Contained (all visible particle inside ID) events are observed.(by end of March). Expected B.G. from atm.n~1.9x

71 Definition of Likelihood Normalization information and shape of energy spectrum information are separately included in the likelihood. Number of events Shape of the Reconstructed neutrino energy spectrum Systematic errors where, f is representing t systematic error parameters for each components: f f, f flux fn int., fnd, Likelihood is maximized by optimizing f for each (sin 2 2q,m 2 ) point. SK 71

72 Timing distribution of Super-Kamiokande events T 0 = SK event time (GPS) Spill time at Tokai(GPS) TOF (295km) SK hardware offset (972nsec) Also, Neutrino flight length in SK Photon travel length difference are corrected. OD Fitted 581ns-interval bunch position FC ID ODC Red: Fully Contained (FC) Blue: Only OD activity events (ODC) Spill structure is clearly visible at Super-K! 72

73 ニュートリノ振動 n n n n n n a t m i U e 2 * 2 ) exp( ) exp( ) ( i i i i t ie U U iht P a a a n n n n ) 4 / sin2( ) Im( 2 ) 4 / ( sin ) Re( 4 2 * * 2 2 * * E L m U U U U E L m U U U U ij j i j j i i ij j i j j i i a a a a a CP violation term は第三項 Im(UUUU) の項になる a の時 U のユニタリー性より 0 になるので appearance channel でしか CP violation は測定出来ない

74 Attenuation length (m) (MC-Data) / Data Super-Kamiokande status Energy (MeV) Apr09 1% level energy scale calibration Stable water quality No dead time during T2K (~99% including all period) T2K Apr10 beam 74

75 m 2 ( 10-3 ev 2 ) Current Experimental limits Sensitivity to q 23 & m kWx5yr Operation (~8x10 21 POT) Assuming sin 2 2q 23 =1.0, m 2 23=2.4x10-3 ev 2 99% 90% 68% w/o syst. errors sin 2 2q 23 sin 2 2q 23 Our goal: Very precise measurements (m 2 23) ~ 1x10-4 ev 2 (sin 2 2q 23 ) ~

76 Milestones Mar.2009 Apr.2009 Jan.2010 Feb.2010 Dec.2010 Jun.2011 Jul.2011 The JHF-Kamioka neutrino project was published. Experiment officially approved. Start construction. Construction completed. First neutrino beam Started physics run. n m n e search started! First T2K neutrino event at Super-Kamiokande! First n e result n e appearance nalysis with Run1+Run2 data n m disappearance analysis with Run1+Run2 data 76

77 いろいろなニュートリノ (1) 太陽ニュートリノ 太陽中心部の核融合反応で発生 4p 4 He + 2e + + 2n e ( 全体として ) 地球上での量 : ~660 億個 / 秒 /cm 2 観測領域 : 200keV 20MeV 代表的な太陽核融合連鎖反応 77 原子炉ニュートリノ 原子炉内の核分裂反応で発生 235 U + n X + Y + ~6e - + ~6n e + ~2.5n ( ほかに 238 U/ 239 Pu/ 241 Pu) 観測領域 : 1~10MeV

78 いろいろなニュートリノ (2) 大気ニュートリノ 一次宇宙線 ( 主に陽子 ) が地球大気中の原子核と衝突した結果できた中間子の崩壊過程で発生 m + n m, m e + n m + n e 観測領域 : 100MeV~10TeV 加速器ニュートリノ T2K 実験 加速器で加速した陽子を標的に当てることで生成された中間子の崩壊過程で発生する 観測領域 : 100MeV~ 数 10GeV ほかにも 超新星爆発ニュートリノや地球ニュートリノなど 78

79 原子炉ニュートリノ実験による q 13 測定 原子炉反電子ニュートリノの消失 (disappearance) を測る P(n e ne)» 1-sin 2 (2q 13 )sin 2 ( 1.27Dm2 L(m) 31 ) E n (MeV) E n ~4MeV 程度なので L~1km で消失率が最大となる Dm » Dm 23 CHOOZ 実験 ( 仏 ) sin 2 2q 13 < 0.15 (90%CL) q 13 0 の証拠は見つからず 後継実験 (Double Chooz) が今年本格稼働した他に RENO( 韓 ) Daya Bay( 中 ) 2003 年の論文 データ取得は n e + p e + + n n + Gd G d +gs 79