ニュートリノ振動実験OPERAに
おけるECC内のガンマ線サーチ
F研究室
中塚裕司
OPERA実験では約10イベントのτ反応検出を目指している
τ粒子の崩壊モード
1-prong
t
t→ m ~17.7%
3-prong
t
t →3h ~15.0%
5-prong
t →5h ~0.001%
t →e ~17.8%
t →h ~49.5%
(with p0 ~36.5%)
• τ粒子崩壊の~85%は1-prong崩壊である(崩壊による荷電粒子がひ
とつしか出ない)
• その中でτ→h崩壊は約50%であり、そこでの検出効率の向上が重要
である
• またp0が付随するものは36.5%である。(ct~25nm)
t→h崩壊におけるバックグラウンド
h
h
ハドロンの二次反応
(原子核との衝突)
t
h
t→h崩壊
•
•
•
•
ハドロンの二次反応におけるPt分布
p0がつくものは事象数が少ない。
バックグランド同じでPtカット半分
τ→h崩壊において、ハドロンの二次反応がバックグラウンドになる
Kinematical cut 娘粒子の横向き運動量Pt>600MeV/c
γ線が付随している場合はPt>300MeV/cに緩めることができる
→τの検出効率を上げることができる。
τ→h崩壊チャンネルにおける娘粒子のPt分布
(娘粒子運動量>2GeV/c,kink angle>20mrad (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
Pt(GeV/c)
τ→h崩壊チャンネルにおける娘粒子のPt分布
(娘粒子運動量>2GeV/c,kink angle>20mrad (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
600MeV cut
Pt(GeV/c)
τ→h崩壊チャンネルにおける娘粒子のPt分布
(娘粒子運動量>2GeV/c,kink angle>20mrad (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
300MeV cut 600MeV cut
(>0 gamma)
Pt(GeV/c)
τ→h崩壊チャンネルにおける娘粒子のPt分布
(娘粒子運動量>2GeV/c,kink angle>20mrad (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
300MeV cut 600MeV cut
(>0 gamma)
γ線をとらえることで、τの検出効率を
上げることができる
Pt(GeV/c)
研究の目的
• τの検出効率を上げる。
• そのためにECC内でγ線を検出する系統的な方法を開発する。
• そのPointing精度を検証し、kink pointかprimary vertexからγ線が
来たのかを区別できるかを調べる。
p0→2γ線のエネルギー分布 (MC)
t→h崩壊に伴うp0→2γ線のエネルギー分布 (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
gamma >= 500MeV/c
→ 70%
m反応に伴うp0→2γ線により生成されたγ線の
エネルギー分布 (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
gamma >= 500MeV/c
→ 70%
daughter P > 2GeV/c
kink angle > 20mrad
daughter Pt > 300MeV/c
Momentum(GeV/c)
Momentum(GeV/c)
p0→2γ線のエネルギー分布 (MC)
t→h崩壊に伴うp0→2γ線のエネルギー分布 (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
m反応に伴うp0→2γ線により生成されたγ線の
エネルギー分布 (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
gamma >= 500MeV/c
→ 70%
gamma >= 500MeV/c
→ 70%
daughter P > 2GeV/c
kink angle > 20mrad
daughter Pt > 300MeV/c
Momentum(GeV/c)
Momentum(GeV/c)
t→ h崩壊の分布と似た形をしている
t→ h崩壊からのγ線検出、pointing精度の良い
検証ができる
鉛中でのγ線と対生成された電子(陽電子)
γ線はエネルギー ~数百MeV領域では相互作用はほとんど対生成反応のみ
対生成するまではvertex pointから鉛中を直進する。
一方発生した電子(陽電子)は鉛中で散乱を受ける。
e+
e-
γ線
原子核
Conversion length Xp : 鉛中~7.2mm
鉛中での電磁波の相互作用の断面積
ECC内でのγ線サーチ
ニュートリノ反応点であるprimary vertexの周囲の飛跡を、飛跡読み取り装置で測定
されたデータ上で再構成する。飛跡とprimary vertex結ぶ仮想的なγ線を考える。
原子核乾板0.3mm

鉛1mm
vertex
point
vertex plate
ECC内でのγ線サーチ
条件:飛跡がフィルム2枚以上つながる。つなぎの条件は500MeV/c, 3σ
x,y projectionでdq < 30mrad 250MeV/cの電子の86%相当を含む角度。
vertex plateに飛跡は存在しない。
原子核乾板0.3mm

vertex
point
鉛1mm
dq
vertex plate
選び出した飛跡の目視によるマニュアルチェック
ランダムに選んだOPERAニュートリノ反応30イベント(CC22 NC8)
Track/30event
Track/event
選ばれた飛跡本数
123
4.1
primary track
(読み取り装置のineffciency)
47 (~38%)
1.6
Cosmic Ray
7 (~6%)
0.2
Fake track
37 (~30%)
1.2
Electron track候補
32 (30γ) (~26%)
1.1
mm/30event
mm/event
173
5.77
探索鉛枚数
Fake track バックグラウンドからの低エネルギー電子による偽の飛跡。
Cosmic ray(輸送時) イタリアへの輸送時に原子核乾板に写った宇宙線の飛跡。データ上で除外することができる。
Vertex track ニュートリノ反応点からの飛跡。
ECC内でのγ線サーチ
条件:飛跡がフィルム2枚以上つながる。つなぎの条件は500MeV/c, 3σ
x,y projectionでdq < 30mrad 250MeV/cの電子の85.9%相当の散乱角を含む。
vertex plateに飛跡は存在しない。
原子核乾板0.3mm

vertex
point
鉛1mm
check
vertex plate
ECC内でのγ線サーチ
条件:飛跡がフィルム2枚以上つながる。つなぎの条件は500MeV/c, 3σ
x,y projectionでdq < 30mrad 250MeV/cの電子の85.9%相当の散乱角を含む。
vertex plateに飛跡は存在しない。
原子核乾板0.3mm
鉛1mm
electron
×

vertex
point
ineff
vertex plate
MCと実際のデータとの比較
OPERAニュートリノ反応イベントに対し鉛探索範囲~6mmに対し期待される
γ線検出数は
0.9γ/event
実際の30イベントに対しサーチを行った結果は
1.0+-0.2γ/event
高い検出効率でγ線が見つかっている
見つかったγ線の分類

電子対を確認できたγ線 14
片方の電子(陽電子)しか確認できなかったγ線16
数micron離れている
9γ
~100micron以内の範囲に
片方がいる 5γ
一本の飛跡しか確認され
なかった 16γ
<~100um
?
100micron以上離れて
しまっている可能性がある。
γ線のPointing精度
dq  (dax  day )
2
2
dz
IP  dq  dz
dq
Impact Parameter
vertex
point
τ粒子の平均IP ~ct87micron
Vertex分離のための値の目安
Pointing精度
32γ
Pairが確認された
片方しか確認されなかった
Pointing精度
32γ
ct~87micron
Pairが確認された
片方しか確認されなかった
Vertexの分離を議論
できる目安
測定された角度ずれと散乱量から推測される角度ずれ
電子のもつ角度ずれの主な原因、鉛中の多重散乱→運動量に相当。
鉛中で対生成を起こした深さ→不定性がある。
電子(陽電子)の運動量に相当する各フィルム間での角度差を測定する。
実際の角度差との比較をする。
dq
運動量から推測される角度ずれ
Pointing精度
32γ
0.02rad
0.04rad
Pairが確認された
片方しか確認されなかった
0.02rad
0.04rad
電子(陽電子)の飛跡の散乱量の推定方法
鉛1mm
原子核乾板0.3mm
γ線
電子(陽電子)の飛跡

dq1
13.6
E0 exp( i / X 0 )

dq i  exp( i / X 0 ) dq i

1
X0

dq2


dq 4
 3 
 exp 
 X 0 

dq3
dq4

n

dq RMS
scatt 
dq  )
 (
i
i 1
n
 4 
 exp 
 X 0 
=

dq i 
 2 
 exp 
 X 0 
dq 3
=
E  E0 exp( x / X 0 )
 1 
 exp 
 X 0 
=

dq 2
=
制動放射のエネルギーロス
補正項
dq1
2
推定された散乱量と実際の角度ずれの比較
サンプル:20γ
Primary vertexとの
角度ずれ
dq obs / dq est
運動量からの
推定値
推定された散乱量と実際の角度ずれの比較
サンプル:20γ
Primary vertexとの
角度ずれ
dq obs / dq est
運動量からの
推定値
τ→h
γ2
混じってしまう
τ→h
γ1
分離できる
推定された散乱量と実際の角度ずれの比較
サンプル:20γ
Primary vertexとの
角度ずれ
dq obs / dq est
運動量からの
推定値
τ→h
γ2
混じってしまう
τ→h
γ1
分離できる
まとめと展望
τからのγ線をとらえ、検出効率の向上を目指している。
OPERAニュートリノ30イベントに対して、30γを見つけた。
MC 0.9γ/event
本手法により、ECC内でのγ線を、高い検出効率でサーチできることがわかった。
Pointing精度はまだ課題があるが、primary vertexから来たのか、kink pointから来
たのかを判定できることを示した。
課題
統計数を上げる。
より正確な運動量推定方法。
Back up
測定された角度ずれと散乱量から推測される角度ずれ
電子のもつ角度ずれの主な原因、鉛中の多重散乱→運動量に相当。
鉛中で対生成を起こした深さ→不定性がある。
電子(陽電子)の運動量に相当する各フィルム間での角度差を測定する。
実際の角度差との比較をする。
Primary vertex
dq2
Secoundary vertex
dq1
τ→h崩壊チャンネルにおける娘粒子のPt分布
(娘粒子運動量>2GeV/c,kink angle>20mrad (MC)
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
(399+352)/399=1.88倍
70% 1.6倍
鉛5mm ~1.3倍
300MeV cut 600MeV cut
(>0 gamma)
Pt(GeV/c)
dax-day
運動力学的なカット
OPERAにおけるhadronic kink候補の判断基準
(10年前のプロポーザルで定めた基準 → ブラインド)
・1ry vertexの下流の鉛2枚以内でkinkしている
・kink角は20mrad以上
・daughterの運動量は2GeV/c以上
・decay Ptは600MeV/c以上(ガンマ線がkinkについている場合は300MeV/c以上)
・1ry vertexにおけるmissing Ptは1GeV/c以下
・合成ハドロン運動量ベクトルと親粒子運動量ベクトルの方位角の差がp/2 rad以上
崩壊探索方法
MCによるニュートリノ反応のIP分布
Mean 104.3 mm
IP distribution for:
t events (MC)
IP distribution for:
t events (MC)
NC+CC m events (MC)
NC+CC m events (Data)
expanded scale
(ⅰ) 10 < IP < 500 [mm] の飛跡を候補として選別する
(ⅱ) IPが大きい理由を特定する
[ IPが大きくなる理由 ]
・実際に崩壊様式
・鉛による多重電磁散乱
(ⅲ) 運動力学的カット
Pairの見え方
Pairに見えるものの割合。
その原因。
Pair間のopening angle,両者の距離。
角度ずれと比較してどうか。
ECC内でのγ線サーチ
エネルギー500MeV/cまでのγ線をとらえることを目標とする。
片方の電子が少なくとも250MeV/c以上のエネルギーを持つとして、電子の受ける
角度ずれの推定
dq  (dq )2  (dq )2  (dq 2 )
op
scatt
dq op ~ 0.5(MeV / c) / p(MeV / c)  0.5 / 250 ~ 0.002rad
dq scatt ~
13.6MeV
cp
dq err ~ 0.003rad
0.5m m
 0.0163rad
X0
err
対生成時のopening angle
鉛500micronで電子の受ける多重散乱量
X0=5.6mm
飛跡読み取り装置の角度精度
dq  (0.002 ) 2  (0.0163 ) 2  (0.003 2 )  0.0167 rad
0.03rad ~ 1.8σ=92.7%
(92.7%)^2=85.9%相当の散乱角を含む
原子核乾板:OPERAフィルム
厚さ205micronのプラスチックベースの両端に44micronの乳剤を塗布してある。
荷電粒子が通ると乳剤層に飛跡を残す。乳剤の組成:AgBr結晶とゼラチンの混合物。
荷電粒子が通った跡に沿ってイオン化されたAgが出来る。
実際の飛跡の写真
見つかったγ線からの電子(陽電子)の飛跡
サーチによるγ線 30
先頭のsegmentのbase trackが飛跡読み取り装置で測定された 21γ ~70%
電子対が確かめられた 14γ ~47%
電子対の両者ともが飛跡読み取り装置で測定された 2γ ~7%
合計30γ(32電子track)をデータ上で探した候補の中からマニュアルチェック
を経て確認した。
Vertex plateでのγ線 2 (系統的には探していない)
電子対 1γ
電子対の両者とも飛跡読み取り装置で測定された 1γ
選び出した飛跡の目視によるマニュアルチェック
ランダムに選んだOPERAニュートリノ反応30イベント
Track/30event
Track/event
選ばれた飛跡本数
200(vtx plate除かない)
6.6
Vertex plateに飛跡が存在
124
vtx 77
4.1
Electron track候補
32 (30γ) (~16.0%)
1.1
Fake track
37
(~18.5%)
1.2
Cosmic ray
7
(~3.5%)
0.2
探索鉛枚数
(~62.0%)
ineff 47
mm/30event
mm/event
173
5.77
Fake track バックグラウンドからの低エネルギー電子による偽の飛跡。
Cosmic ray(輸送時) イタリアへの輸送時にフィルムに写った宇宙線の飛跡。データ上で除外することができる。
Vertex track ニュートリノ反応点からの飛跡。
選ばれた飛跡の詳細
サーチする飛跡
123
Vtx plateにも存在
200
Ineff vtx track
electron
fake track
CR (TrCR6)
47
32
37
7
77 vtx track
Vtx base track effciency=77/(47+77)=77/124=62%
OPERAフィルムに写る飛跡
micro track
base track
micro track
生成粒子
OPERAフィルム断面図
y
反応点
z
x
neutrino
OPERAフィルム
OPERAフィルムに写る飛跡
micro track
base track
dz
micro track
dx,dy
生成粒子
OPERAフィルム断面図
y
反応点
z
x
neutrino
OPERAフィルム
γ線の検出効率の運動量依存性(MC)
γ線 detection efficiency (MC)
1
0.9
0.8
Efficiency
0.7
0.6
0.5
[ Angle acceptance : |qx|<0.6rad, |qy|<0.6rad ]
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Momentum (GeV/c)
0.8
0.9
1
鉛に角度(0,0)のγ線を打ち込んだときの電子対の一方が角度(0.03,0.03)以内
になるようなものの割合。鉛は無限大の長さ。エネルギー依存性を見ている。
MCの説明0.9γ/event
pythia
OPERAニュートリノ反応1000イベント
CC762,NC238
↓
CC2319γ + NC709γ= 3028γ (~1500π0)
↓
dθ<0.03 , linkletでつながる 1700γ
↓
鉛6mm 904γ
↓
Θ<0.6
866γ
866/1000 ~ 0.9
シミュレーション条件:
電子の飛跡が2枚以上つながっている
最上流の電子の飛跡が角度30mrad以内でvertex pointに向かっている
飛跡の検出効率は100%
電子対のうち一つ以上を検出できる
鉛探索範囲は6mmである
電子の制動放射と電磁波の断面積
1 / X 0  4  re
2
NA
Z ( Z  1) ln(287/ Z )
A
1000個のMCνμイベントについて
2011/02/13
π0について
CC:1102個 (762イベント)
NC:333個 (238イベント)
合計:1435個 (1000イベント)
rho eta Delta omegaの崩壊からのpi0も多数含まれるが、
これらは短寿命なため、1ryからのpi0と認識される。
→1ry or decayの区別はしていない
Epi0 [GeV]
E[GeV]
3028個のγ線について
エネルギーとその角度sqrt(ax*ax+ay*ay)の2次元plot
Angle [rad]
E[GeV]
平均23.6GeV interactedなニュートリノエネルギー!
(注意)CNGSのビームとしては平均17GeVであるが、
実際にニュートリノ反応をするものはエネルギーに比例して
反応断面積が増加する効果が見えている。
ニュートリノ振動
あるニュートリノの種類が別の種類のニュートリノへ変化する現象。弱い相互作用
の固有状態(香りの固有状態)が質量固有状態の重ね合わせになっている。
1962年名古屋大学の牧、中川、坂田氏らによって提唱された。
m
e
2世代間での混合行列
t
 m   cosq 23
   
 t    sin q 23
sin q 23 

cosq 23 
振動確率はm→tのとき、
μ τ ~ sin 2 2q 23  sin 2 1.27 m2 23 (eV 2 )  L(km) 
P E (GeV ) 

L:ニュートリノの進んだ距離 E:ニュートリノのエネルギー
質量があれば振動が生じる
 2 
 
 3 
OPERA実験
• SKでμニュートリノの減少(disappearance)によるニュートリノ振動を示
唆する結果が得られた。
• ニュートリノが確かに別種のニュートリノに変化していることを示した
実験結果はまだない。
• OPREA実験はmからtへ変化したニュートリノをとらえる。
(appearance)
• ニュートリノ振動に最終決着を与える実験
イタリアGran Sasso地下のOPERA検出器でm→tへの振動
をとらえる
CERN SPS
m
 E  17GeV
t
イタリアGran Sasso研究所
地下1400m
( Δm232 = (2.43±0.13)×10-3 eV2 , sin22θ23 = 1.0, L/E = 43km/GeV)
μ τ ~ sin 2 2q 23  sin 2 1.27 m2 23  L  ~ 1.7%
P E

OPERA検出器全体像
Super Module 1
Target section
Super Module 2
Muon spectrometer
Target section Muon spectrometer

高さ10m,幅10m,奥行き20m
原子核乾板とカウンターからなる複合検出器
OPERA検出器全体像

高さ10m,幅10m,奥行き20m
原子核乾板とカウンターからなる複合検出器
OPERA検出器全体像

高さ10m,幅10m,奥行き20m
原子核乾板とカウンターからなる複合検出器
15万ECC, 1.25 kton target
主検出器ECC
75.4mm
125mm
8.3kg
10X0
Neutrino Beam
100mm
Lead plate : 1mm
56枚の鉛プレート(厚み1mm)と、57枚の原子核乾板とのサンドイッチ構造
原子核乾板:電荷を持った粒子の飛跡を記録する
鉛中でのradiation length X0 ~5.6mm ECC全体では10X0
τニュートリノ反応
ファインマン・ダイアグラム
実験室系
τ粒子のct~87micron
ECC内で、τ粒子の反応をトポロジー解析、運動力学的解析によってとらえる。
τニュートリノ反応
ECC内
鉛1mm
原子核乾板0.3mm
ファインマン・ダイアグラム
t
t
実験室系
decay point
τ粒子のct~87micron
primary
ECC内で、τ粒子の反応をトポロジー解析、運動力学的解析によってとらえる。
vertex
以前のスライド
推定された散乱量と実際の角度ずれの比較
Pointing精度を評価する量
dq obs  dq est
dq obserr 2  dq esterr 2
Pointing精度
35電子track32γ
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP<10μm 6電子track
IP  dq  dz
Pointing精度
1st segmentがS-UTSで測定されている25電子track23γ
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP<10μm 6電子track
IP  dq  dz
Pointing精度
1st segmentがS-UTSで測定されている
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP<10μm 6電子track
IP  dq  dz
Pointing精度
35電子track32γ
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP<10μm 6電子track
IP  dq  dz
Pointing精度
35電子track32γ
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP<10μm 6電子track
IP  dq  dz
Pointing精度
35電子track32γ
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP<10μm 6電子track
IP  dq  dz
Pointing精度
32γ
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
Pointing精度
32γ
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP  dq  dz
Pointing精度
32γ
τの平均IP ~cτ87micron グラフ?
Pointing精度の為に必要なIPは大まかな値として~10micron
γ線のImpact Parameter(IP)の定義
dz:vertex pointまでの深さ
dax,day:角度ずれ
dq  (dax 2  day 2 )
IP  dq  dz
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ニュートリノ振動実験OPERAにおけるECC内のガンマ線サーチ