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Super&Kamiokande/Gadolinium/R&D/project/ ガドリ …Gdによる中性子の捕獲確率 4...
Transcript of Super&Kamiokande/Gadolinium/R&D/project/ ガドリ …Gdによる中性子の捕獲確率 4...
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Super-‐Kamiokande Gadolinium R&D project ガドリニウム添加⽔水チェレンコフ検出器EGADS
におけるGdからのガンマ線事象の解析
⽇日本物理理学会2015年年年年次⼤大会森俊彰 岡⼭山⼤大理理 (代理理:⽮矢野孝⾂臣 神⼾戸⼤大理理)For Super-‐‑‒Kamiokande Collaboration
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発表内容
• 検出器洗浄前に硫硫酸Gd濃度度0.0115%, 0.0230%で取得したGd(n,g)データの解析
• GADZOOKS!の実現に向けた性能の⾒見見積り
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γ
中性⼦子の捕獲確率率率=捕獲された中性⼦子/中性⼦子数 [%]
Gdガンマ線の再構成効率率率=再構成後Gdガンマ線事象/Gdガンマ線事象 [%]
BGの混⼊入率率率= 再構成後のBG数 / 先発信号 [%]
再構成:• PMTが検出した信号の電荷や時間を⽤用いて検出器内で反応した素粒粒⼦子の反応位置やエネルギーを求める
• その情報を基に信号とBGを選別する
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Gd γ
後発信号探索索ゲート : 500 µsec
後発 信号 閾値 先発 信号 閾値
シンチレーション光
EGADSを用いたGdガンマ線測定セットアップ
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Am/Be線源+BGOシンチレータ
トリガー・取得データ
Am/Be
γ
Neutron
Gd 4.4 MeV γ
BGO シンチレーション光
2.5cm
2.5cm
~60 PMTs
~8 PMTs
e+
proton
γ
νe
neutron
Gd
• 光子を検出したPMTの数を用いたセルフトリガー
SRN反応
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Gdによる中性子の捕獲確率
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2.2MeVを避けて選択事象選択条件• 先発信号との時間差
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⽬目的• 再構成に失敗した事象や明らかなBGを除去事象選択条件• Hit PMTs > 5, ΔT
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再構成効率2: Likelihood解析
エネルギー 再構成の精度度1 再構成の精度度2
線源からの距離離 先発信号からの時間差 事象の等⽅方性
Signal • Gdガンマ線シミュレーション
Background • 線源を無しの状態で取得したバックグラウンドデータ
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解析• Precut後に残った事象をニューラルネット(TMVA, root)法を⽤用いて効率率率良良く信号とBGを選別
• パラメータ間の相関を考慮したLikelihoodが得られる。
• Likelihoodへの⼊入⼒力力– E, ΔT, ΔR, 再構成の確度度1&2, 事象の等⽅方性
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再構成効率2: Likelihood解析
解析• TMVA法により得られたLikelihood関数を用いて、
Significance = Sig/(Sig+BG)1/2 - Sig: 選択されたGdガンマ事象の数 - BG: 選択されたBGの数 が最大になる点で事象を選別
Am/BeデータのLikelihood 出⼒力力
Gd濃度 効率 統計誤差 変数による誤差 Gd濃度測定の誤差 総系統誤差
0.0115%Signal 95.4% 0.5% 1.0 % 1.5% 1.8%
Background 3.2% 0.1% 0.7 % 0.0% 0.7%
0.0230%Signal 95.1% 0.4% 1.3% 1.6% 2.1%
Background 2.9% 0.4% 0.7% 0.0% 0.7%
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検出効率@EGADS検出器
EGADS検出器の性能 • 0.0115%, 0.0230%濃度のデータ測定、0.2%濃度の
シミュレーションで性能評価 – より高いGd濃度でよりよい性能が得られる。
(中性子捕獲までの時間の短縮による向上)
• 初の実験データによるGd入り水チェレンコフ検出器の性能評価
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再構成効率 =再構成効率1 (precut) ×再構成効率2 (likelihood)
検出効率 =中性子捕獲効率×再構成効率
検出効率率率⽐比較データ MC
0.0115% 22.7±0.7% 24.1%0.0230% 35.2±1.0% 36.2%
MC esOmaOon
Gd2(SO4)3 濃度[%]
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GADOOKS!に向けて
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• Am/Be線源を⽤用いたGd(n,g)反応の測定・解析– Am/Be線源を使った中性⼦子捕獲反応の測定を⾏行行った。– ⾼高い検出効率率率・低バックグラウンド混⼊入率率率をTMVAを⽤用いた解析により実現– EGADS検出器でのGd中性⼦子捕獲反応をMCで再現した
• 0.2%硫硫酸GdをSKに加えた場合の評価– Geant4を⽤用いて検出器の中⼼心で中性⼦子を⽣生成– BGは同様に純⽔水で取得したデータを使⽤用– 解析にはEGADS解析と同様、TMVAを使⽤用– 結果
• 検出効率率率 : 82%(再構成効率率率)×87%(捕獲効率率率) = 71%
• 偶発的なBG混⼊入の確率率率:1.4x10-‐‑‒4%→ SRN検出に必要な値2x10-‐‑‒2%をクリア。
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GADZOOKS!によるSRN観測の可能性
10SRN model : S.Horiuchi et al, Phys. Rev. D 79 (2009) 83013
Gd⼊入りSuper-‐‑‒KamiokandeでのSRN探索索• 硫硫酸Gd0.2%濃度度で10年年間観測すれば
• SRN信号: 16-‐‑‒30 ev• 宇宙線起因偶発的バックグラウンド → 問題なし
• ⼤大気ニュートリノバックグラウンド(MC)• 反応過程で⽣生成された中性⼦子が1つだけ検出された事象のみを選択
• 理理論論モデルにより⼤大きく予測は変わるが理理論論モデルの違いも議論論できる統計量量が期待できる
各理論モデル毎の予測SRNスペクトラム
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まとめ• Am/Be線源によるGd(n,g)反応の測定
– Am/Be線源を⽤用い、EGADS検出器を⽤用いて反ニュートリノ反応を模したデータを取得した。
– 取得したデータについてニューラルネットワーク(TMVA)法を⽤用いた解析を⾏行行い、⾼高い信号検出率率率(76% for 0.0230% Gd2(SO4)3)と低いバックグラウンド混⼊入率率率(1.1%, 同条件)を得た。
– 本実験の結果について、Geant4 MCを⽤用いて良良く再現できている。• GADZOOKS!に向けて
– SKに硫硫酸Gd0.2%を添加した場合をMCとバックグラウンドデータを⽤用いて⾒見見積もった。– 信号の検出率率率 : 71%, バックグラウンド混⼊入率率率 : 1.4×10-‐‑‒4%– バックグラウンドを⼗十分に抑え、SRN探索索が可能になると期待される。
• 今後– EGADS検出器では既に0.1%硫硫酸GdのAm/Beデータを取得している。– 今後よりGADZOOKS!に近い、0.1%濃度度、0.2%濃度度のデータを⽤用いて解析を⾏行行う。
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Backup
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SK検出器を用いたGdガンマ線測定
Gd(n,g)事象のエネルギー分布
SHE
Precut[%] Likelihood cut[%] 再構成[%] MC:再構成[%]
SHE sub (ΔT=0~35μs)
Signal 91.1±2.1 96.6±2.2 88.0±2.0 88.4Background 0.22±0.014 3.6±0.7 (8±2)×10-‐3 -‐
AFT (ΔT=35-‐535ns)
Signal 90.6±3.5 97.87±2.54 89.1±3.8 89.4Background 0.26±0.06 3.3±0.7 (8±3)×10-‐2 -‐
セットアップ• 容積2Lの容器内に0.2%硫硫酸Gd溶液とAm/Be線源・BGOを導⼊入し、これをSK検出器の中⼼心に吊るしてデータを取得。
• バックグラウンド: 線源なし、ランダムトリガーデータ
解析• EGADSで⽤用いたものと同様の⼿手法(Precut+Likelihood cut)を⽤用いる。
• 再構成確率率率ほぼ90%を達成。• MCによって実験結果が良良く再現されている。
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SK検出器内でのデータ取得
SK
2.4リットル⼩小容器
測定セットアップ トリガー・取得データ
先発 信号 閾値
後発 信号 閾値
シンチレーション光
SHE sub (0-‐35 µsec) AFT (35-‐535 µsec)
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シンチレーション光
0.2% Gd2(SO4)3 溶液
Am/Be + BGO
バックグラウンド(BG)データ取得• 線源がない状態で定期的に1msecのゲートを⽣生成しデータを取得
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SK検出器内でのGdガンマ線信号エネルギー捕獲時間 事象発生点:R2=x2+y2+z2[m2]
SHE SHE
Precut[%] Likelihood cut[%] 再構成[%] MC:再構成[%]
SHE sub (ΔT=)
Signal 91.1±2.1 96.6±2.2 88.0±2.0 88.4Background 0.22±0.014 3.6±0.7 (8±2)×10-‐3 -‐
AFTSignal 90.6±3.5 97.87±2.54 89.1±3.8 89.4
Background 0.26±0.06 3.3±0.7 (8±3)×10-‐2 -‐
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再構成効率2: Likelihood解析
解析• Precut後に残った事象を最尤法を⽤用いて効率率率良良く信号とBGを選別
エネルギー 再構成の精度度1 再構成の精度度2
線源からの距離離 先発信号からの時間差 事象の等⽅方性
p(xk(i)): K番目のPDF
Signal • Gdガンマ線シミュレーション
Background • 線源を無しの状態で取得したバックグラウンドデータ
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Signal:〜1 BG :〜0
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再構成効率2: Likelihoodカット効率Am/BeデータのLikelihood 出⼒力力
Gd濃度 効率 統計誤差 変数による誤差 Gd濃度測定の誤差 総系統誤差
0.0115%Signal 95.4% 0.5% 1.0 % 1.5% 1.8%
Background 3.2% 0.1% 0.7 % 0.0% 0.7%
0.0230%Signal 95.1% 0.4% 1.3% 1.6% 2.1%
Background 2.9% 0.4% 0.7% 0.0% 0.7%
Significance = Sig/(Sig+BG)1/2 -‐ Sig:Gdガンマ線の数 -‐ BG:BGの数
が最大になる点で事象を選別
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再構成効率2: Likelihoodカット効率Am/BeデータのLikelihood 出⼒力力
Gd濃度 効率 統計誤差 変数による誤差 Gd濃度測定の誤差 総系統誤差
0.0115%Signal 95.4% 0.5% 1.0 % 1.5% 1.8%
Background 3.2% 0.1% 0.7 % 0.0% 0.7%
0.0230%Signal 95.1% 0.4% 1.3% 1.6% 2.1%
Background 2.9% 0.4% 0.7% 0.0% 0.7%
Significance = Sig/(Sig+BG)1/2 -‐ Sig:Gdガンマ線の数 -‐ BG:BGの数
が最大になる点で事象を選別
Likelihood cut効率率率
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中性子捕獲確率測定1
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EffGdCut =
NNeff >20NGd γ
2.2MeVを避けて選択
Hitrate =NPrompt Trg ×EffGd Capture ×EffGd
Cut + NSourceBkg.( )NPromptTrg
Hitrate = NNeff >20 NPrompt Trg
Gd γ term Source Bkg term
事象選択条件• 先発信号との時間差
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中性子捕獲確率測定2
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EffGd Capture =Hitrate−Eff4MeV
Source Bkg( )EffGd
Cut +EffGdSource Bkg( )
Gd濃度 測定値 系統誤差 統計誤差 MC
0.0115% 29.2% 0.3% 0.5% 32.1%
0.0230% 46.1% 0.5% 0.7% 47.4%
選択効率率率の不不定性を考慮
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中性子捕獲確率測定1
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EffGdCut =
NNeff >20NGd γ
2.2MeVを避けて選択
Hitrate =NPrompt Trg ×EffGd Capture ×EffGd
Cut + NSourceBkg.( )NPromptTrg
Hitrate = NNeff >20 NPrompt Trg
Gd γ term Source Bkg term
事象選択条件• 先発信号との時間差
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実証実験• Gd添加⽔水の透過率率率測定• Gd添加⽔水の循環システム• 同時遅延計測の実証• Etc.
EGADS実験 (EvaluaNng Gadolinium’s AcNon on Detector System)
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スーパーカミオカンデ EGADS実験共同研究
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Kamioka Observatory. ICRR Univ. of Tokyo • M.Ikeda, Y.Kishimoto, L.MarO, M.Nakahata, H.Sekiya, Okayama University • T.Mori, Y.Koshio, M.Sakuda, J.Shingen, H.Ishino, A.Kibayshi
Kobe University • Y.Takeuchi, T.Yano Univ. Autonoma Madrid • L.Labarga, P.Fernandez Univ. of California, Irvine • M.Smy, P.Weather, J.Griskev, B.Kropp Kavli IPMU Univ. of Tokyo • M.Vagins
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Gd添加⽔水循環システム
透過率率率測定装置
200トン検出器
15トンタンク &Gd事前処理理システム
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Water transparency effect check
25
0
10
20
30
40
50
60
70
80
2/11 2/21 3/3 3/13 3/23 4/2 4/12 4/22 5/2 5/12
LL20m
Hz/
bin
⬆Run4222
⬇Am/Be 115ppm
!Run4718⬆
!Am/Be 230ppm ⬇
15 m3 tank test
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BGO scintillator
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2µsecHITSUM 信号 (ヒットしたPMTに比例した 高さを持つ信号)
BGO
-
Am/Be in pure water
先発信号
後発信号
先発信号と後発信号との時間差
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-
Am/Be in pure water
Source Background • Am/Beデータを正しく理解するため
にAm/Be線源起因のBGを理解する必要がある
• 4.43 MeVガンマ線、2.2 MeVガンマ線,
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Source Background
ScinOllaOon light
Delayed gate (500µsec)
Gd γ
BG1
BG2
4.4MeV γ or Gd γ or 2.2MeV γ
ScinOllaOon light + Gd γ or 2.2MeV γ
Signal
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中性子捕獲確率測定1
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EffGd Capture =Hitrate−Eff4MeV
Source Bkg( )EffGd
Cut +EffGdSource Bkg( )
中性子捕獲時間 Fiangの精度
MCの変数をデータに合うようにして選択効率を再評価
B.G
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Precut 系統誤差
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EffSig =NGd γ( )After precut
NGd γ=NAm/Be − (NMC + NBG )NPrompt×EffCapture
再構成位置after Precut
Precut後の事象数の比較
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SK+Gd vessel ; likelihood analysis
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SHE Trigger AFT Trigger
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Variables SHE & AFT
34
-
変数
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事象の等方性Fittingの精度1先発信号との時間差
エネルギー Fittingの精度1 線源からの再構成位置
MC + BGShiged MC + Bkg. data
Am/Be dataBG data
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Gd γ ray
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-
中性子捕獲効率@SK+Gd vessel
• 10PCs x 4 processes = 40 processes • デッドタイムは1sec • (1 – L / 20 x Dead Time) = NAFT/NSHE → ( 1-‐L/20 ) = NAFT/NSHE
– Run6755基準で63% – ここからL = 7.4 Hz, Total event rate = L + 0.63x L = 12.06
• SHEとAFTを同じprocessでマージしてたとすると、 – ( 1 –L/40) = 0.63 -‐> total event rate = ~24 Hz
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EffGd Capture =Hitrate−Eff4MeV
Source Bkg( )EffGd
Cut +EffGdSource Bkg( )
Data Sys. Error MC
SHE sub 13.09% 0.98% 12.87%
AFT 7.12% 0.72% 10.32%→7.33%
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SK+Gd vessel (AFT)
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Signal Reconstruction efficiency • AFT Eff. = aft/AFT = 92.92% • SHE Eff. = she/SHE= 91.49%
• Total = (aft+she)/(AFT+SHE) = 92.28%
-
Precut解析• 系統誤差
– Signal : EGADS解析と同様 – Background : SHE sub ⇄ AFT
• ΔTカットを除けば本質的に同じ効率になるはず
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Eff =NGd γ( )After precut
NGd γ=NAm/Be − (NMC + NBG )NPrompt×EffCapture
EffSHE× 35/30 EffAFT
0.031 % 0.027%
系統誤差
SHE sub AFT
BG 0.004% 0.002%
MC 1.82 % 1.87%
捕獲確率 0.98% 0.72%
Signal 1.82% 1.87%
再構成位置after Precut
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Likelihood解析
40
Likelihood cut効率
変数による誤差
SHE subSignal 96.40% 0.67 %
Background 3.61% 0.64 %
AFTSignal 97.83% 0.64%
Background 3.30% 0.66%
Significance=Sig/(Sig+BG)1/2が最大
Gd γ (Data) Gd γ ( MC)
BG
Effi
cien
cy[%
]Am/BeデータのLikelihood (SHE)
バックグラウンド事象の統計数が少ないのでPDFを⽤用いてバックグラウンド事象を⽣生成
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変数
事象の等方性Fitting精度ΔT [µsec]
エネルギー Fitting精度2 R2 = x2+y2+z2 [cm2]
MC (Gd γ + 2.2 MeV γ ) + Bkg. dataShiged MC ( Gd γ MC + 2.2 MeV γ) + Bkg. data
Am/Be dataBkg. data
-
Gd濃度
0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300
25/Mar 01/Apr 08/Apr 15/Apr 22/Apr 29/Apr 06/May
Gd 2
(SO
4)3 +
x ・
H2O
濃度
[ppm
]
Top
Centre
Bottom
Gd2(SO4)3 ・8H2O: 30kg
Gd2(SO4)3 ・8H2O: 30kg
タンク内でのサンプル箇所