Transcript ニュートリノ－核子・原子核反応のシミュレータ

ニュートリノ－核子・原子核反応の
シミュレータ
( Event generator )
東大宇宙線研究所
早戸 良成
Contents
• Introduction
• Neutrino interactions above ~100MeV
• Why important?
• Neutrino-nucleon/nucleus interaction
simulation programs ( event generators) used in the experiments
• General structure of the simulation program ( event generator )
• Neutrino interactions
• Nuclear effects ( Final state interactions of hadrons )
• Summary
1. Introduction
ニュートリノー核子・原子核反応シミュレーションの重要性
大気ニュートリノ観測実験 + 核子崩壊探索実験
長基線ニュートリノ振動実験
ニュートリノの直接観測はできない
検出器内で発生した
ニュートリノー核子・原子核散乱
による生成粒子を観測する。
主として用いられる反応
Charged current interactions with nucleus
n + N → l + N’ ( + X )
N, N’
: nucleus
l
: charged lepton
X
: hadrons ( p, K, W, nucleons etc… )
ニュートリノー核子・原子核散乱の正確な理解が必要
2. Neutrino interactions above ~100MeV
Charged current quasi-elastic scattering
Neutral current elastic scattering
Single p,h,K resonance productions
Coherent pion productions
Deep inelastic scattering
nm+ N →n + N
nm+ N →l + N’ + p (h,K)
nm+ X →l + X’ + p
nm+ N →l + N’ + mp(h,K)
(l : lepton, N,N’ : nucleon, m : integer)
Cross-sections
Total (NC+CC)
s/E (10-38cm2/GeV)
nm+ n →m- + p
Cross-sections
CC Total
CC Total
CC quasi-elastic
DIS
CC single p
NC single p0
En (GeV)
DIS (CC)
3. Why important?
Example 1: 加速器を用いたニュートリノ実験の場合
ニュートリノの方向は既知
Case 1: En = 100 ~ 1 GeV
Select charged current quasi-elastic scattering events
n + N → l + N’
生成した荷電レプトンの運動量及び方向を用いて
ニュートリノのエネルギーを再構成
反応種別の同定が必要
→ Selection efficiency や purity / background contamination
は、シミュレーションを用いて評価する。
Case 2: En > several GeV
Charged current deep inelastic scattering events dominate.
n + N → l + N’ + hadrons
ニュートリノエネルギーの再構成には
生成荷電レプトンの運動量と方向、ならびに
検出器において観測されたハドロンのエネルギーを用いる。
Precise knowledge of the primary neutrino interactions
and the secondary hadron interactions is important.
3. Why important?
Example 2: 大気ニュートリノ観測実験
大半の解析においては、
観測されたレプトンの運動量及び方向を用いる。
ニュートリノ振動パラメータは、
観測データと振動を考慮にいれたシミュレーションを
用いることで決定される。
Example 3: 核子崩壊探索実験
陽子崩壊の主要なモードと予言されるp → e+ p0では、
single p productionが主要なバックグラウンドとなる。
（終状態の粒子が同一である）
ニュートリノ反応や核子崩壊によって、
原子核中で生成したπ粒子などは、
原子核中で散乱・吸収されることもしられている。.
( p+ n → p0 p etc. )
Precise knowledge of the primary neutrino interactions
and the secondary hadron interactions is important.
4. Neutrino-nucleon/nucleus interaction
simulation programs ( not complete. )
1. NEUT
当初はカミオカンデ実験のために開発された。
その後、改良が続けられ、Super-Kamiokande, K2K
SciBooNE, T2K などの実験で用いられている。
2. NUANCE
IMB実験・SK実験のコラボレータの一人によって開発された。
MiniBooNE, Minelna, SK実験などで用いられている。
3. NUGEN
当初はSUDAN実験のために開発された。
その後、改良が続けられ、MINOS実験で用いられている。
4. GENIE
できるだけ新しいモデルを導入することを目標に近年開発が
始まったシミュレーションプログラム。
(Object oriented, C++ based program library)
現在、MINOS実験での利用が始まろうとしている。
4. Neutrino-nucleon/nucleus interaction
simulation programs used in the experiments.
ニュートリノ・核子散乱部
• 大半のプログラムで似通ったモデルが用いられている。
• 用いられているモデルは比較的古いものが多い（後述）
1. プログラムは各実験グループで独自に開発されてきた。
2. 実験を（既存の実験の）誤差の範囲でおおよそ再現できてきた。
3. 新しいモデルは、複雑すぎたり、適用範囲が厳しすぎたり
他のモデルと併用することが難しいことが多い。
→ シミュレーションプログラムに用いることが難しい。
4. 新モデルの優位性を検証できる実験データが少なかった。
原子核効果（ハドロンの核内における散乱）部
シミュレーションプログラム（＝実験）によって、違いがある。
→ 検出器毎に、粒子の検出効率に違いがあるため。
Water Cherenkov detector
Sampling calorimeter
Full active scintillator detector
5. General structure of the simulation program
( Event generator )
• 反応エネルギーの決定
最終的な事象のエネルギー分布が
neutrino flux ( f (E) ) と total cross-section ( stotal (E) )
の積の分布を再現するように。
• 反応モードの決定
各反応モード毎の散乱断面積を用いて、反応種別を決定。
（各反応の散乱断面積が計算できていることが必要）
• 素過程ニュートリノ反応のシミュレーション
生成粒子数を決定、
各粒子の粒子種別及び運動量（方向）を決定。
• 生成粒子の原子核中での散乱シミュレーション（必要なら）
原子核中で発生した各粒子（ハドロン）の核内での散乱を
シミュレーションし、各粒子が原子核から出た時の状態を決定。
（吸収・散乱・粒子生成・荷電変換反応などがおこりうる）
Recent and near-future neutrino scattering experiments
1) K2K experiment
Water Cherenkov detector
High sensitivity for e, m, low momentum p0
Threshold for p is rather high ( ~1GeV/c)
SciFi detector (Scintillating fiber detector with water target )
Lower threshold for p. ( ~ 600MeV/c )
Tracking detector to identify CC quasi-elastic scattering.
SciBar detector ( Fully active scintillator detector )
Low threshold for p. ( ~400MeV/c )
Tracking detector to identify interactions.
2) MiniBooNE experiment
Mineral oil Cherenkov detector
High sensitivity for e, m, low momentum p0
High purity CC QE & Single pi sample.
( Owing to the lower energy beam )
Recent and near-future neutrino scattering experiments
3) SciBooNE experiment
SciBar detector ( Fully active scintillator detector )
Low threshold for p. ( ~400MeV/c )
Tracking detector to identify interactions.
High purity CC QE & Single pi sample.
( Owing to the lower energy beam
Use same neutrino beamline as MiniBooNE )
4) MINERnA
Use various target ( Hydrogen, Carbon, Oxygen, Argon .. )
Use MINOS beamline.
Rather high energy beam.
Study CCQE, Single pi, DIS and various nuclear effects.
Status of SciBooNE
(K. Hiraide)
New experiments using Booster Neutrino Beam
Measure cross-sections with full-active scintillator detector
6. Expected interaction rates ( neutrino mode )
Beam time
Protons on target
June 2007 ~ Summer 2008 ( Now running )
1 x 1020 for neutrino
1 x 1020 for anti neutrino
# of nm events
Fraction
[/10tons/1E20POT]
CC-QE
41,100
41.0%
CC-1pi
23,500
23.5%
1,500
1.5%
CC-coherent
CC-other
5,500
5.5%
NC-1pi
8,500
8.5%
900
0.9%
NC-other
1,700
1.7%
NC-elastic
17,400
17.4%
NC-coherent
Dominant
DIS etc.
Small fraction
The MINERnA neutrino interaction experiment
(R. Gran)
MINERnA :
Measure neutrino interaction cross-sections
with various targets ( Pb, Fe, C,He )
@ ~ 5% level for CC and @ ~ 10% level for NC.
Exclusive final state!
Study form factors, structure functions
and nuclear effects.
Full active plastic scintillator inner detector
2009
Start with MINOS LE Beam
2012
Change over to NonA ME beam
The MINERnA neutrino interaction experiment
(R. Gran)
6. Charged Current Quasi elastic scattering
ν + N  l + N’
Cross-section calculations
Free nucleon : C.H.L. Smith
(Phys. Rep. 3,261(1972))
(MV=0.84GeV/c)
In the original article, both vector and axial-vector form factors
are assumed to be dipole. Also, GEn is set to 0.
Recently, non-dipole form vector factor and non-zero GEn
obtained from the recent electron scattering experiments
are used in some simulation programs.
( Re-evaluation of MA is also required. )
6. Charged Current Quasi elastic scattering
ν + N  l + N’
νμ + n   - + p
νμ + p  μ+ + n
As for the bound nucleons,
most implementation uses the one by Smith and Moniz.
(Nucl.Phys.B43 605(1972),erratum-ibid.B101 547(1975))
Recently, several new improved models are proposed.
From Simple Fermi-Gas model ( Smith-Moniz )
to the model with spectrum functions
or based on the many-body theorem etc..
6. Charged Current Quasi elastic scattering
ne + 16O  e- +
X
NEUT(Smith-Moniz)
Nieves et al.
solid: n, dashed: n
Nieves model is lower than S-M by
10% at 500MeV both in ve,vm
Ratio Nieves/S-M is within +/-25%
above 200MeV
nm + 16O  m- +
X
Systematic error for CCQE is newly
evaluated with these models
 Takenaga-san’s analysis
considers these errors
Currently, this model is available until
500MeV, so is not used for
ATMPD/T2K vector
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7. Single meson production via resonances
ν + N  l + N’ + p (K ,h)
Based on D.Rein, and L.M.Sehgal, Ann. of Phys. 133(1981)
ν + N  l + D (N*)
Δ(N*)  p + N’
Resonances up to 2GeV are taken into account.
Some simulation programs
include the absorption of D in nucleus.
νμ + ｎ  μ- + p + π +
νμ + ｎ  μ- + p + π +
νμ + ｎ  μ- + p + π +
En (GeV)
En (GeV)
En (GeV)
7. Single meson production via resonances
Simulation result -Integrated cross sectionBerger and Sehgal add the pion-pole term in the hadronic current.
This effect is the almost same as in the coherent-p production
hep-ph/0709.4378
Black : ne
Red : nm
Gren : nt
Lepton mass / Original (%)
Lepton mass / Original (%)
nm p  m- p+ p
An amount of reduction depends on lepton flavor and energy
These values are consistent with the description in references
7. Single meson production via resonances
Simulation result -Kinematics-
Pm(GeV)
cosqm
Lepton momentum has no significant change
Lepton scattering angle has suppression in forward direction
Pion and nucleon kinematics are not changed
8. Deep Inelastic scattering
ν + N  l + hadrons
Dominant interaction in the high energy region (> several GeV )
n
m
W
Hadrons
N
Parton distribution functions ( F2 and xF3 )
are extracted from the accelerator experiments.
However, major parton distribution functions
can not be used not applicable in the small W or q2 region.
( If we use the PDF as-is,
excess was observed in the small q2 region. )
1) Use experimental results of neutrino scattering in that region.
2) Apply corrections to the existing parton distribution functions.
8. Deep Inelastic scattering
ν + N  l + hadrons
Corrections proposed by Bodek and Yang
( hep-ex/0203009, hep-ex/0308007 )
1. Bjorken scaling x xw
Q B
2
xw  x
A : target mass effect
higher twist effect
B : photoproduction limit(Q2=0)
Q  Ax
2
2. Correction to the structure function F2
F2 ( x ) 
Q
2
to fit both intermediate-x and low-x
F2 ( x w )
Q C
2
3. d/u ratio
dv  d’v(dv,uv)
uv  u’v(dv,uv)
4. Longitudinal R
2 xF1  F2
1  4 Mx
Correction to the conversion
from F2d to F2n
2
1 R
Q
2
Corrections for the spin of the target.
These correction parameters are obtained
by fitting various existing experimental results.
8. Deep Inelastic scattering
( G. Mitsuka )
nm Charged current cross sections
nm
nm
GRV94
GRV94 (with correction)
GRV98
GRV98 (with correction)
# of events
En(GeV)
q2 distribution ( atmospheric n flux )
GRV94
GRV94 (with correction)
With the correction,
En<5GeV
cross-section is suppressed
5<En<20GeV
and
small q2 region is also suppressed.
sqrt(q2(GeV2/c2))
9. Coherent pion productions
(
(
)
)
ν + X  ν + X + π0
p production without breaking the target nucleus
n
Model by Rein & Sehgal (Nucl.Phys.B223:29,1983)
n
p
• Cross-section is smaller than
the resonance-mediated mode.
• Direction of p has peak in forward
( Experimentally observed
in the higher energy neutrino experiments. )
(
)
ν + 12C l + 12C + π0
Recently, cross-section of charged current coherent pion production
was found to be very small in ~<GeV region.
M. Hasegawa et al.(K2K collaboration) ( hep-ex/0506008 )
10. Nuclear effects ( Final state interactions of hadrons )
Large fraction of the p from single p production
are coming from the decay of D.
Cross-section of those p is large.
Interaction probability of p in nucleus
generated by the single p production is large.
Momentum of p
from p → e+ p0
is ~460<MeV/c.
10. Nuclear effects ( Final state interactions of hadrons )
re-scattering of pion, kaon, eta, omega and nucleon in nucleus
Different models are used in each simulation program.
Implementation in NEUT
Cascade model is used.
Each particle is tracked in the nucleus
until it escapes from the nucleus.
For low momentum pion ( < 500MeV/c , so-called D region )
Mean free paths of absorption and inelastic-scattering
are calculated based on a model by L.Salcedo et al. .
(Nucl. Phys. A484(1998) 79)
* These mean free paths are position and momentum dependent.
* The Fermi surface momentum also has radius dependence.
For the higher momentum pion ( > 500MeV/c),
kaons, eta, omega and nucleons
Results from scattering experiments are used.
10. Nuclear effects ( Final state interactions of hadrons )
Interaction probabilities of p
generated in 16O
Checked with p 16O scattering
or photo - p production
experiments.
Monte-Carlo simulation reproduces
various distributions quite well.
Comparison with p
16O
scattering experiment
10. Nuclear effects ( Final state interactions of hadrons )
Interaction probabilities of p
momentum of p0
(atmospheric n)
@ SK
(Simulation:
Vector level)
Blue
Red
: Before FSI
: After FSI
p0 momentum (GeV/c)
# of FC 2ring p0 events
Arbitrary unit
momentum of p0
@ K2K-1KT
preliminary
( MC is normalized
by area )
11. Summary
ニュートリノ－核子・原子核反応のシミュレータ は
１）ニュートリノ反応
２）生成ハドロンの原子核内の反応
を正しく扱う必要がある。
基本的には各実験グループが独自に開発・改良してきた。
素過程については、どれもほぼ同じモデルを利用。（どれもかなり古い）
ハドロンの核内反応については、用いる検出器毎に違いがある。
古いモデルでも系統誤差的には大きな問題にはなってこなかった。
→ 今後のニュートリノ振動実験では、問題となる。
新しいモデルもあるが、ニュートリノ散乱の良い実験データがなく、
検証することができなかった。
→ K2K、MiniBooNE実験などが行われ、
今後も SciBooNE、T2K(280m)、Minelna などの実験も
行われる予定であり、より詳細なデータが得られると
期待されている。
より精密な系統誤差の評価を行うことが可能となる。
(言うまでもないことですが）今後、より一層の研究・開発が必要。
Fin.
6. Charged Current Quasi elastic scattering
(G.Mitsuka)
Comparison between the model
by Smith-Moniz and by Nieves et al.
νμ + n   - + p
Black : Smith-Moniz
Nieves et al. model
Blue : 補正なし
Red : FSIのみ
Pink : RPAのみ
Green : FSI+RPA
En(MeV)
ds/dQ2(10-40 cm2/MeV2/c2)/oxygen nuclei
s(10-40 cm2)/oxygen nuclei
Cross-section
Black : Smith-Moniz
Nieves et al. model
Blue : 補正なし
Red : FSIのみ
Pink : RPAのみ
Green : FSI+RPA
En=500MeV
Q2