seminar @ 益川塾 2013.11.19
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高江洲 義太郎 KIAS/KNRC
原子炉反ニュートリノ実験による 質量階層性への感度とその課題
共同研究者: S.F. Ge、 岡村直利、萩原薫 JHEP 1305:131,2013
Outline
2
• イントロ: 質量階層性と原子炉実験の関連 • 質量階層性決定への実験感度 • エネルギー分解能の影響 • 干渉効果 • 階層性決定へのスケジュール
• おまけ
イントロ
3
�m231 = m2
3 �m21 > 0 �m2
31 = m23 �m2
1 < 0
質量階層性
4
P (�� � ��) = | < �� |�� > |2
NH IH
P (�e � �e) =
�����
3�
i=1
Uei exp��i
m2i
2Ei
�U�
ei
�����
2
= P (�e � �e)
�ij =�m2
ijL
4E�
�m231 = m2
3 �m21 > 0
�m231 = m2
3 �m21 < 0
原子炉反ニュートリノ実験
�e
検出器 原子炉
6� 1023 �e/3GW/15min
5
@ 検出器 �ePee
原子炉反ニュートリノ実験
�e
検出器 原子炉
6� 1023 �e/3GW/15min
6
Evis
PMT
��
�
�
検出器内部 (Inverse Beta Decay)
E� < 10MeV
� Ee+ + me
� E� � (mn �mp) + me
エネルギー分布 �e
7
�E
E=
a%�E
dN
dEobsvis
=NpT
4�L2
� �
Ethr
dE� �(E�) Pee(E� , L, MH, · · · )�IBD(E�)G(Evis �Eobsvis , �Evis)
NH IH
実験感度
8
解析手法
データ �2 fit
�2(NH/IH) =nbin�
i=1
�Nfit
i (NH/IH)�Ndatai�
Ndatai
�2
+nparam�
i=1
�Yi � Y input
i
�Yi
�2
9
dN
dEobsvis
=NpT
4�L2
� �
Ethr
dE� �(E� )Pee(E� , L, MH, · · · )
� �IBD(E�)G(Evis �Eobsvis , �Evis)
MH (質量階層性) = NH/IH
フィット関数 パラメーター
解析手法
(��2)min
NH IH
(��2)min = �2min(IH)� �2
min(NH)
NH が真: (��2)min は 正値 を取りやすい
IH が真: (��2)min は 負値 を取りやすい
(��2)min > 0 IH を棄却 NH を棄却 (��2)min < 0
NH が真の場合
10
棄却されない方の階層性が実験結果をよく 記述している場合 ( ) ��2
min � 1
��2min の有意性で階層性の決定
棄却されない方の階層性が実験結果をよく 記述しない場合 ( ) ��2
min >> 1
実験のミス? or New Physics?
質量階層性への感度
0
2
4
6
8
10
12
14
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(6r2 ) m
in
L [km]
原子炉実験における典型的な 感度ー基線長 曲線
フラックス小
11
Vvvv vvv �(|�m231|)
の感度への影響
|�m231|
L = 30km
|�m231|
L = 50km
|�m231|+��2 fit
�2 fit |�m231|+�
12
0%
2.5%
-‐2.5%
�(|�m231|)
|�m231|
10 20 30 40 50 60 70 80 90 km
�(|�m231|)
質量階層性への感度
0
2
4
6
8
10
12
14
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(6r2 ) m
in
L [km]
原子炉実験における典型的な 感度ー基線長 曲線
13
エネルギー分解能の影響
14
�E
E=
a%�E
0
5
10
15
20
25
30
35
40
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
(6r2 ) m
in
L [km]
a = 2% NH3% NH4% NH5% NH6% NH
エネルギー分解能の影響 1
18kton 16.5GW 5yrs 現在の値
NH
b = 0
�EE
=
�����
a�E/MeV
�2
+ b2
15
b � 1%a � 7%
エネルギー分解能の影響 2 �EE
=
��a�E
�2
+ b2
18kton 16.5GW 5yrs
20 30 40 50 60 70 80 90 100L [km]
b = 0%0.5%
0.75%1%
a = 3% a = 2%
0
5
10
15
20
25
30
35
40
10 20 30 40 50 60 70 80 90
(6r2 ) m
in
L [km]
b = 0 b = 1% 感度 40%
16
現在の値
b � 1%
干渉効果
17
E. Ciuffoli, J. Evslin, X. Zhang: 1302.0624 Y-‐F. Li, J. Cao, Y. Wang, L. Zhan: 1303.6733
ΔL = L1 – L2
Reactor1
原子炉間の干渉効果
L1 L2
18
Reactor1 + Reactor2
��2 ��2
��2 ��2
mulT-‐cores
原子炉間の干渉効果 (感度地図) 16.5GW 18kton 5yrs a = 3%, b = 0.5%
�EE
=
��a�E
�2
+ b2
01234567891011
(��2)min
All Reactors 50 km
19
250m
質量階層性決定へのスケジュール 2010 2030 2020
RENO-‐50
JUNO (DayaBayII)
LBNE
LBNO
PINGU
INO
NOvA (Opera^ng)
(Approved)
Hyper K
2015 2025
* rough es^mate 2 sigma 3 sigma 4 sigma 5 sigma 20
パラメータ測定
21
パラメータ測定
< 1% 精度
sin2 2�12,�m221,�m2
31 を精密に測定可能 @ L ~ 50 km
L = 50km
�12 Oscillation Max.
1%
Pee
1%
1%
1%
* エネルギースケールの不定性は入れてない
|�m231|
まとめ 次世代原子炉反ニュートリノ実験での質量階層性決定に ついて議論した
のエネルギー分解能が必要 (16.5GW 18kton)
検出器の最適な位置は原子炉間の干渉効果を考慮 すると、ほぼ決まる
23
5年以内での3シグマの階層性の決定には
a < 3% b < 0.5%
* 実際の実験ではエネルギースケールの不定性も重要なファクターとなりうる arXiv: 0901.2976, 1208.1551, 1308.0591
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