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