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24 February 2005 M.Sakuda Neutrino－Nucleus Interactions

GeV領域での電子-(H,D,C)準弾性反応, ∆(1232)生成断面積の測定

作田誠（岡山大学）

平成17年2月24日 @ RCNP

1. ニュートリノ実験の結果とニュートリノ原子核反応

2. JLAB E04-0013. まとめ


１．ニュートリノ振動の結果（2004）

νµ−ντ (2－3世代)間のニュートリノ振動（K2K/SK)Δm232 =|m22-m32|=(1.5～3.5)x10-3(eV2)θ23=45±8º

νe−νµ (1－2世代)間のニュートリノ振動（SK他）Δm122 =|m12-m22|=(8.2±0.6)x10-5(eV2) θ12=32±3º (1σの信頼度)

次の目標はνe−ντ (1－3)間のニュートリノ振動をsin22θ13 の値にして0.01 (1%)で測定することである。ニュートリノ物理は素粒子・宇宙物理の重要課題として、次の10年にはさらなる発展が期待される。


νµ−ντ (2－3世代)間のニュートリノ振動

SK実験により発見された大気ニュートリノ振動はK2K 実験により2004年に99.99% の確度で確認された。

Eνrec0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Entries 56

[GeV]

even

ts/0

.2[G

eV]

data

Oscillation

No osc.

SK観測による大気ニュートリノデータ K2K


νµ-ντ oscillations estimatedby SK and K2K at 90%CL

10-4

10-3

10-2

10-1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1sin22θ

∆m2

(eV2

) K2K

SK-I All SK-I L/E

K2K result is consistent with SK-I results.


νe−νX 間のニュートリノ振動


次の目標: νe−ντ or νe−νµ oscillation at 1% or less by T2K,NOvA and Reactors in ~2009

KASKA 90% C.L. Sensitivity (L=1.8km, 1% error, 3yrs)

10-1

10-2

10-3

10-4

sin2 2

m2

(e

V2)

10-3 10-2 10-1 1

ChoozExcluded

T2KOAB 2degree


GeV領域のニュートリノ原子核反応

1. ニュートリノ振動解析のためにはニュートリノ原子核反応（微分）断面積が必要である。

Y(Eν)=(Neutrino flux) · σ（Eν) · (Number of target nucleons) .

もし、sin22θ13~0.01-0.001 を狙うなら断面積も数％程度の精度で知りたい。

2. GeV領域の電子・ニュートリノ原子核反応計算を100 MeV から10 GeV領域で確立したい。Supernovaにも関係する。

3. Weak nucleon form factor も良く分かっていない。


MiniBOONE と K2K の Q2 分布

MiniBOONE QE sample K2K Inelastic sample

SciFi SciBar

•Nuclear Effect or unknown cross sections (QE,1π, coherent)長谷川の講演

We need better measurement of σ(C,O)/σ(H) for qe, ∆ using electron beams. E04-001 (JLAB)


Pauli Bloching effect

Quasi-elastic

∆ production

W/o Pauli effect

W/ Pauli effect

10-15% suppressionAt low Q2

Total 3% reduction

Eν=1.3 GeV，kF=220 MeV/c

ν µ−

Pp

Pp

πqW∆

ν µ−

np

Pp

q

If P


2. E04-001 (C.Keppel and A.Bodek et al)

The original proposal E04-001 is to measure the longitudinal-transverse structure functions F2 and R=σL/σT from the nuclear target in the resonance region.We (M.Sakuda et al) requested a measurement of elastic and ∆ cross sections with H,D,C targets in the forward region last November and it was approved in December, 2004. Data taking took place in January, 2005.


( )2

sin'4 222 θEEQq ==−

[ ]),(),('

22 QxQxdEd

dLT εσσ

σ+Γ=

Ω

)1(2)('

2

22

επα

−−

=ΓEMQ

MWE

P

P

1

22

2

2tan121

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

θνεQ

[ ]),(),(2)(

4'

22122

2

QxFQxxFMWxdEd

dL

P

εαπσ +−

Γ=Ω

),(2),(41

),( 212

22

222 QxxFQxF

QxM

QxF PL −+

=


Jefferson Lab Map

Beam Line Beam Line →→

Hall C Hall C ↑↑


The electron accelerator at JLAB

Ee=1-6 GeVAccelerated by two linacs in a racetrack design.

A B C


Hall-C 内部↓

Detector’s outline→High Momentum Spectrometer (HMS)

←Target

↑electron beam

Short OrbitSpectrometer (SOS)


Target (Liq.H2, Liq.D2, Carbon, Fe, Al)


High Momentum Spectrometer (HMS)

Θ=10.6-90.0 degPmax=7GeV∆p/p=20%dp/p=0.1%


Typical spectrum for the HMS Ĉerenkov counter

Typical spectrum for the HMS shower counter

Electron Identification (Gas Cherenkov and Lead Glass)

Pion

Electron

Electron


Q2 -1.15 -0.966 -0.811 -0.682 -0.573 -0.481 -0.404

10.8 0.0499 C C C C C C C

13 0.0715 H2,D2 H2,D2,C,Al H2,D2,C,Al H2,D2,C,Al H2,D2,C,Al H2,D2,C,Al H2,C

16 0.1063 H2,Al D2,C,Al D2,C,Al D2,C,Al D2,C,Al D2,C,Al

19 0.1467 D2 C C C C

22 0.1918 H2,D2,C,Al D2,C,Al H2,D2,C,Al H2,D2,C,Al H2,D2,C,Al

28 0.2932 H2,C,Al C C H2 C C

45 0.6136 H2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe H2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe

55 0.7946 H2,D2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe H2,D2,Al,Fe

60 0.8782 D2

70 1.029 H2,D2,C,Al,Fe H2,D2,C,Al,Fe C ,Al ,Fe

E’ (GeV)

Θ(d

eg)

Data H,D,C(e,e’) at Ee=1.2 GeVOne data point consists of 600K events. Q2=0.05-0.6 (GeV/c)2.


結果一例 (Semi-Online Analysis)

Target = H2e- energy (GeV) = 4.62

HMS deg = 10.6

Prelim

inary


Typical Systematic Uncertainty

Quantity Uncertainty εσ (％)

Incident e- energy ～10-3 0.2-0.3Scattered e energy ～10-3 0.1Scattering e- angle ～1mr 0.7-0.8

Target density 0.7％ 0.7Total charge ≤1％ ≤1

Tracking Efficiency 0.7％ 0.7Detector Efficiency 0.9％ 0.9

Dead Time Correction 0.5％ 0.5Radiative Correction 1.0％ 1.0

Bin Centering Correction 1.7％ 1.7

Acceptance Correction 0.5％ 1.5Total charge 3.1

Ratio or measuredand

Simulated elastic cross section

Sources of systematic uncertaintiesin the differential cross section


Theoretical Calculation in Preparation

Fermi-Gas Spectral Function


Uniform Fermi-Gas and Spectral Function for Various Nuclei

Spectral Functions P(p,E) for various nuclei, eg.16O, are estimated by Benhar et al. using e-N data.P(p,E) : Probability of removing a nucleon of momentum p from ground state leaving the residual nucleus with excitation energy E.

0. 100. 200. P (MeV/c)

20.

40.

E(MeV)

Fermi momemtum

Fermi Gas model

p


dσ/dEe’ (e+O e+X, ω=Ebeam-Ee)

Fermi-Gas (Present) vs. Spectral FunctionFG > SF at peak 10-20%, SF can explain ‘dip region’

H.Nakamura,Seki, MS,Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.)139,201,2005.Nieves et al., Nucl.Phys.B(Proc.Suppl.)139,195,2005.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 100 200 300 400 500 600

dσ

/dΩ

dω

[10

-7fm

2/M

eV]

ω [MeV]

E = 1080 MeV θ = 32 deg

SFFG

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 100 200 300 400 500 600

dσ

/dΩ

dω

[1

0-7

fm2/M

eV]

ω [MeV]

E = 700 MeV θ = 32 deg

SFFGFG

SＦ

QE

∆

FG

SＦ

Dip


まとめ

GeV領域の電子・ニュートリノ原子核反応を総合的に理解したい。

理論計算は、準弾性反応・∆生成に関しては準備が整った。

JLABで1.2GeVの電子ーH, D, C 反応を測定した。これで前方の準弾性、共鳴生成断面積は、５％以内(目標１％)でまもなく解析できると期待される。


9月26－30日（岡山大学）-日本学術振興会日伊共同セミナー-

The 4th Workshop on Neutrino-Nucleus Interactions in the Few-GeV Region

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