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2008/9/25 宇宙核物理連絡協議会 WS
Feasibility study of neutrino charged-current reaction cross sections at J-PARC
IPNS, KEKNobuaki Imai
SNS http://www.phy.ornl.gov/nusns
2008/9/25 宇宙核物理連絡協議会 WS
2008/9/25 宇宙核物理連絡協議会 WS
Contents
Scientific motivation KARMEN experiment @ISIS Decay-at-Rest neutrinos Detectors @ SNS Yield estimation @ J-PARC Background estimation @ SNS Nuclear & particle physics interests
2008/9/25 宇宙核物理連絡協議会 WS
Scientific motivation
Delayed supernovae explosion SN1987A
From SNS proposal
Neutrino is a key player.
neutrino luminosity energy spectrum angular distribution
~ 10%
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Direct measurement -KARMEN experiment-
Pulsed Decay at Rest neutrinos
Active target 12C 6x3.5x3.2m3
liquid scint. module x512
Veto counter Iron shield 18cm thick 180t anti-detector (plastic) x96 outer shield detector x 120
B. Zaitnitz, Prog. Part. Nucl. Phys. Vol.32 pp351
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Result of KARMEN experiment
4399 Coulomb (3years)
= Y 3.0x1013 /cm2 @ 17.5m
12C(e,e-)12Ng.s 223.2+/-13.5 events [8.9+/-0.6+/-0.75]10-42 cm2
12C(e,e-)12N* 206+/-46 events [6.4+/-1.45+/-1.4]10-42 cm2
12C(,’)12C* [10.8+/-1.1+/-1.2]10-42 cm2
B. Zaitnitz, Prog. Part. Nucl. Phys. Vol.32 pp351
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Decay-at-rest neutrino
p
1 GeVHg
π+
π
capture
~ 99%
μ+
νμ
τ ~ 26 ns
30 MeV
νe
e+
νμ
τ ~ 2.2 μs
< 52.6 MeV
FREE
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Energy spectrum of DAR-
νe
νe
νμ, νμ, ντ, ντ
0 10 20 30 40 50 60 70 800
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Lum
inos
ity (
×10
51 e
rg/s
)
Energy (MeV)
Super nova
νeνμ
ν-SNS
νμ
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DAR -Flux@J-PARC
Y(J-PARC) ~10Y(ISIS)
7)GeV8.0(
)GeV3(
I E
ISIS 200A 800 MeV
J-PARC 333A 3 GeV
X1.5 x7
~ 2 × 107 (νe+νμ+νμ)/cm2/s@ 20m
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Detectors @ SNS
(νe,e-) : charged current
detect
AZNAZ+1N-1
νe e
W±
Solid target: Fe, Al, Pb…
Liquid target: C (paraffin), O (water), d (heavy water)…
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Solid target detector• mass ~ 10 t• easy exchange• time resolution ~ several ns• 3D-tracking and PI• energy resolution ~ several MeV
Corrugated target Fe d=0.75 mm 10 t
Drift tube 14,200 radius 8 mm 、 length 3 m tube: metal-vapored mylar gas: CF4 (84 ns for 8 mm) charge division: tracking
Fidusial volume: 2.0×2.0×3.0 m3
Segmented detectors
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Liquid target detector
Ring-imaging Cherenkov detector Fiducial volume 3.5 × 3.5 × 3.5 m3
8-inch PMTs #600 → 41% surface coverage Hamamatsu R5912 σq ~ 0.6 photon 、 σt ~ 1.2 ns
Liquid target
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Detector setup
(A)Solid target
(B) Liquid target
(C) Fe Shield
(D) Veto counters
(A)
3.5 m
2 m
(B)
3.5
m
(C) 1 m
0.5 m0.5 m
(D)
Measurementsat the same time → Normalization}
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Yield estimation @ J-PARC
ν flux 2×107 /s/cm2 @ 20m Fe 10 t σ ~ 2.5×10-40 cm2 → 46 events/day efficiency (PI, veto system dead time) ~30% → 15 events/day (~3000 events/year)
Liquid target (volume 15.5 m3) paraffin CnH2n+2 (n~20), ρ=0.85 g/cm3
σ=9.3×10-42 cm2 for X=Ngs σ=5.1×10-42 cm2 for X=N* → 2,800 events/year → 1,260 events/year (ε=40%)
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Backgrounds @ SNS
From cosmic rays μ 130 Hz/m2
~2.5×108 events/day
n ~2.6 Hz/m2
~5.0×106 events/day
N from SNS ~3×109 events/day → remove by time structure (>1.2 μs)
Fe 10 t → ~10 evts/day @ full power
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Reduction of cosmic ray backgrounds
Cosmic ray μ
2.5×108 /day → 1.5×105 /day → 1.5×103 /day →
time window(<10μs)
Veto counters(ε=99%)
Reduction by PI
Cosmic ray n
5×106 /day → 3×103 /day → 30 /day →
time window(<10μs)
Fe shield(top 1 m, wall 0.5 m)
Reduction by PI
μ + Fe shield → n + X
30 n /day →Reductiion by PI
~ 1/10
~ 1/1000
~ 1/10
Schedule
2009~ Background n measurement : N. Imai Detector development : Y.X. Watanabe
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Nuclear physics interest GT の direct measurement 1. Determination of geff
2. (p,n) 反応では分からない 30MeV 程度の励起状態での forbidden transition
12C()12N exp~10 x10-42 cm2 theo.~20x10-42 cm2
Where is the origin of the deviation ?
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Particle physics interest
1. Lepton flavor number violation normal: rare decay(10-4):
2. Search for scalar and tensor term
ee
ee
nepe Search for this reaction
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Theoretical calculation; (e,e-)
ZA(,e-)
...])()()()[,1(cos
)( 22222
GTBgFBeZFEkG
E effAee
cF
GF: Fermi constantc: Cabbibo angleEe,ke: energy and momentum of outgoing electronF(Z+1,Ee): distortion of outgoing electron wave function by Coulomb fieldgA
eff: effective axial-vector coupling constant
Uncertainty of theoretical calc.1. Treatment of F(Z+1,Ee) ~ 50%
2. gAeff (~-10%) ? <-> quenching of B(GT)
3. Distribution of excited states (20-30%) cf.) up to L~4 contribution
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Fermi function
Fermi function +relativistic effect
C. Volpe et al., PRC65, 044603
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Indirect measurement
Charge exchange reaction (3He,t), (p,n) reaction S=1, L=0 -> B(GT)
(1) High multipolarities ? (2) Theory dependence (a) Normalization by -decay (b) Reaction theory is needed
Direct measurement
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• SK :
•KAMLAND:
•SNO:
•HOMESTAKE:
observatory
nepe )2.2( MeVdpn
eppde
xx npd
ArCl 3737 ee
16O+ 反応は測定されているはず。
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-12C reactions @KARMEN
12C(e,e-)12Ng.s. Ee- < 35 MeV
12C+e++e Ee+ < 15 MeV
e- と e+ の delayed coin: 時間、エネルギー、場所
12C(e,e-)12N*
11C+p Ee- > 17 MeV
12C(,’)12C*(1+;T=1,15.1 MeV) 12Cg.s. + (E=15.1MeV)
Mass dependence
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Target for DAR (cm2)12C 1.4x10-41 (exp.)
56Fe 2.6x10-40 (thor.)208Pb 3.6x10-39 (thor.)
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0
beam
500 1000 1500 2000Time (ns)
Inte
nsi
ty1 s
25 Hz (40 ms)
1014 p
1 MW (average)
Time structure of DAR- flux
Pulsed proton beam
νμ
νμ, νe
Suppression ~ 2.5e-5
Site @ MLF
3GeV, 333A
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70m
150m
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νμ
νμ, νe
0
beam
500 1000 1500 2000時間 (ns)
強度
ν-N 反応νe : charged current
検出
AZNAZ+1N-1
νe e
W±
charged current
neutral current
AZNAZ*N
νμ
Z0
νμ 、 νμ : neutral current
decay
検出 ビーム由来バック・グラウンド大
pureneutral current
neutral current + charged current
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veto
(A)
3.5 m
2 m
(B)
3.5
m
(C) 1 m
0.5 m0.5 m
(D) 60 cm
Scint. (thickness 1 cm) 4 layers
Fe absorber (thickness 1.5 cm) 3 layers
長さ 4.5 m
• ≧ 2 photons/layer• ≧ 3 layer hits
μ ~ 99.5 % γ ~ 0.005 % n ~ 0.07 %
false veto <10% → dead time
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セルのヒット数 → 飛程 → PI 、 e のエネルギー
νe + Fe → e + X
固体標的検出器
Fe 標的 10 トン σ ~ 2.5×10-40 cm2 → 46 events/day efficiency (PI, veto system dead time) ~30% → 15 events/day ~3000 events/year
0 10 20 30 40 50 60 70 800
1
2
3
強度
(a
.u.)
Energy (MeV)
νe
Energy (MeV)
0 10 20 30 40 500
500
1000
1500
2000
Co
un
ts (
a.u
.) e
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200
500
1000
1500
2000
セル数
Co
un
ts (
a.u
.)
e
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液体標的検出器
エネルギー分解能 5~7% at 53 MeV位置分解能 15~20 cm角度分解能 3~5°
流動パラフィン CnH2n+2 (n~20), ρ=0.85 g/cm3
ν flux 2×107 /s/cm2
σ=9.3×10 cm2 for X=Ngs
σ=5.1×10 cm2 for X=N* → 180 events/year/m3
→ 2,800 events/year ( 標的体積 15.5 m3) → 1,260 events/year (ε=40%)
Energy (MeV)
Q (
PE
)N
(P
MT
s)
25 30 35 40 45 5025
500
1000
1500
0
50
100
150
200
νe + C → e + X 28 光電子 /MeV
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宇宙線起源のバック・グラウンドの除去
時間構造 < 10 μs Fe シールド 天井 1 m 、壁 0.5 m 粒子識別 三次元飛跡測定 veto システム
0
beam
500 1000 1500 2000時間 (ns)
強度
νμ
νμ, νe
τ ~ 2.2 μs
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固体標的検出器でのバック・グラウンド除去
ゲート無し
+ time window (<10μs)
+ veto システム
+ 検出器外縁部 8cm に信号無し
+ <ΔE> < 10 keV
+ コンパクト
セル・ヒット数
セル・ヒット数
セル・ヒット数
セル・ヒット数
セル・ヒット数
セル・ヒット数セル・ヒット数
+ time window (>1.2μs)
B.G. ~ 10%
ν- N 反応n from SNS宇宙線 μ宇宙線 n
4He(,’X) reaction
4He(,’)4He* 3He+n 3H+p~10x10-42 cm2
Gas 検出器 (1atm,300K) KARMEN 0.86/13.89=6.2x10-2 mol/cm3
gas 検出器 1./22.4x103=4.5x10-5 mol/cm3
-flux x10 3 GeV 330A P x10 10 atm で動く gas 検出器 V x10 12 m x 6.4 m x 7 m の大検出器
X10-3
Sp=19.8 MeV
Sp=20.6 MeV
4He
NO STATE
4He(,e-)4Li reaction
4He(,e-)4Li Q=-23.41 MeV 4Li 3He+p Q=3.1 MeV4He(,e+)4H Q=-24.01 MeV 4H 3H+n Q=2.98 MeV
Gas 検出器の周りを 10cm 厚のプラスチックシンチで覆う。
E < 30 MeV
E4Li < 0.35 MeV
E(3He) = 0.75 MeV/u = 8mm/10atm 4He