Transcript Signal - 神岡宇宙素粒子研究施設

Super-Kamiokande Gadolinium R&D project
ガドリニウム添加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
日本物理学会2015年年次大会
森俊彰 岡山大理 (代理:矢野孝臣 神戸大理)
For Super-Kamiokande Collaboration
発表内容
• 検出器洗浄前に硫酸Gd濃度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積り
中性子の捕獲確率
=捕獲された中性子/中性子数 [%]
Gdガンマ線の再構成効率
=再構成後Gdガンマ線事象/Gdガンマ線事象 [%]
再構成：
BGの混入率
= 再構成後のBG数 / 先発信号 [%]
• PMTが検出した信号の電荷や時間を
用いて検出器内で反応した素粒子の
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
2
EGADSを用いたGdガンマ線測定セットアップ
Am/Be線源+BGOシンチレータ
Am/Be
Neutron
SRN反応
4.4 MeV g
2.5cm
BGO
2.5cm
トリガー・取得データ
• 光子を検出したPMTの数
を用いたセルフトリガー
g
ne
proton
Gd
e+
g
シンチレーション光
後発
信号
閾値
先発
信号
閾値
Gd
neutron
Gd g
~8 PMTs
シンチレーション光
~60 PMTs
後発信号探索ゲート : 500 msec
3
Gdによる中性子の捕獲確率
Am/Be エネルギー分布
解析
•
•
先発信号に対する後発信号
の数の比を用いて捕獲確率
を見積もる
事象選択の効率をMCで見積
もる
事象選択条件
•
•
•
•
先発信号との時間差<400msec
再構成位置R2< 2m2
再構成の確度
エネルギー
結果
•
2.2MeVを避けて選択
MCによる予想値と概ね一致。
Gd濃度
捕獲確率
(実験値)
系統誤差
統計誤差
捕獲確率
(Geant4)
0.0115%
29.2%
0.3%
0.5%
32.1%
0.0230%
46.1%
0.5%
0.7%
47.4%
4
再構成効率１： Pre-cut解析
目的
•
エネルギー分布 after Precut
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, DT<400 msec, 再構成位置カット
Precut効率
Signal
EffSig =
Background
(N g )
Gd
EffBkg =
After precut
N Gd g
=
(N
Gd g
)
After precut
Am/Be data
N Prompt ´ EffCapture
-
BG
( N BG ) After precut
N Pr ompt
Signal [%]
Background [%]
効率
統計誤差
系統誤差
効率
統計誤差
系統誤差
0.0115%
81.6%
0.9%
1.9%
39.0%
0.2%
0.8%
0.0230%
80.2%
0.6%
1.0%
38.6%
0.8%
0.5%
再構成効率2： Likelihood解析
解析
• Precut後に残った事象を
ニューラルネット(TMVA,
root)法を用いて効率良く信
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への入力
– E, ΔT, ΔR, 再構成の確度1&2, 事
象の等方性
エネルギー
再構成の精度１
線源からの距離
先発信号からの時間差
再構成の精度２
事象の等方性
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
6
再構成効率2： Likelihood解析
Am/BeデータのLikelihood 出力
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
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
Signal
95.4%
0.5%
1.0 %
1.5%
1.8%
Background
3.2%
0.1%
0.7 %
0.0%
0.7%
Signal
95.1%
0.4%
1.3%
1.6%
2.1%
Background
2.9%
0.4%
0.7%
0.0%
0.7%
Gd濃度
0.0115%
0.0230%
検出効率@EGADS検出器
MC estimation
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
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
検出効率比較
Gd2(SO4)3 濃度[%]
データ
MC
0.0115%
22.7±0.7%
24.1%
0.0230%
35.2±1.0%
36.2%
8
GADOOKS!に向けて
• Am/Be線源を用いたGd(n,g)反応の測定・解析
– Am/Be線源を使った中性子捕獲反応の測定を行った。
– 高い検出効率・低バックグラウンド混入率をTMVAを用いた解析により実現
– EGADS検出器でのGd中性子捕獲反応をMCで再現した
• 0.2%硫酸GdをSKに加えた場合の評価
–
–
–
–
Geant4を用いて検出器の中心で中性子を生成
BGは同様に純水で取得したデータを使用
解析にはEGADS解析と同様、TMVAを使用
結果
• 検出効率 : 82%(再構成効率)×87%(捕獲効率)
= 71%
• 偶発的なBG混入の確率：1.4x10-4%
→ SRN検出に必要な値2x10-2%をクリア。
9
GADZOOKS!によるSRN観測の可能性
各理論モデル毎の予測SRNスペクトラム
Gd入りSuper-KamiokandeでのSRN探索
• 硫酸Gd0.2%濃度で10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
• 大気ニュートリノバックグラウンド(MC)
•
反応過程で生成された中性子が１つだけ検出された
事象のみを選択
• 理論モデルにより大きく予測は変わるが理論モデルの違
いも議論できる統計量が期待できる
SRN model : S.Horiuchi et al, Phys. Rev. D 79 (2009) 83013
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まとめ
• Am/Be線源によるGd(n,g)反応の測定
– Am/Be線源を用い、EGADS検出器を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)法を用いた解析を行い、高い信
号検出率(76% for 0.0230% Gd2(SO4)3)と低いバックグラウンド混入率(1.1%, 同条件)を
得た。
– 本実験の結果について、Geant4 MCを用いて良く再現できている。
• GADZOOKS!に向けて
– SKに硫酸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いて見積もった。
– 信号の検出率 : 71%, バックグラウンド混入率 : 1.4×10-4%
– バックグラウンドを十分に抑え、SRN探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、0.2%濃度のデータを用いて解析を行う。
11
Backup
SK検出器を用いたGdガンマ線測定
セットアップ
• 容積2Lの容器内に0.2%硫酸Gd溶液とAm/Be線源・BGOを導入し、
これをSK検出器の中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
Gd(n,g)事象のエネルギー分布
SHE
解析
• EGADSで用いたものと同様の手法(Precut+Likelihood cut)を用いる。
• 再構成確率ほぼ90%を達成。
• MCによって実験結果が良く再現されている。
SHE sub
(ΔT=0~35μs)
AFT
(ΔT=35-535ns)
Precut[%]
Likelihood cut[%]
再構成[%]
MC:再構成[%]
Signal
91.1±2.1
96.6±2.2
88.0±2.0
88.4
Background
0.22±0.014
3.6±0.7
(8±2)×10-3
-
Signal
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
-
SK検出器内でのデータ取得
測定セットアップ
トリガー・取得データ
シンチレーション光
2.4リットル小容器
Am/Be + BGO
0.2% Gd2(SO4)3 溶液
先発
信号
閾値
後発
信号
閾値
シンチレーション光
SK
SHE sub (0-35 msec)
AFT (35-535 msec)
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のゲートを生成しデータを取得
14
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 sub
(ΔT=)
AFT
SHE
Precut[%]
Likelihood cut[%]
再構成[%]
MC:再構成[%]
Signal
91.1±2.1
96.6±2.2
88.0±2.0
88.4
Background
0.22±0.014
3.6±0.7
(8±2)×10-3
-
Signal
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
-
再構成効率2： Likelihood解析
解析
• Precut後に残った事象を最
尤法を用いて効率良く信号
とBGを選別
Signal:〜１
BG :〜0
p(xk(i)): K番目のPDF
エネルギー
再構成の精度１
再構成の精度２
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
線源からの距離
先発信号からの時間差
事象の等方性
16
再構成効率2： Likelihoodカット効率
Am/BeデータのLikelihood 出力
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
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
Signal
95.4%
0.5%
1.0 %
1.5%
1.8%
Background
3.2%
0.1%
0.7 %
0.0%
0.7%
Signal
95.1%
0.4%
1.3%
1.6%
2.1%
Background
2.9%
0.4%
0.7%
0.0%
0.7%
Gd濃度
0.0115%
0.0230%
再構成効率2： Likelihoodカット効率
Am/BeデータのLikelihood 出力
Likelihood cut効率
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
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
Signal
95.4%
0.5%
1.0 %
1.5%
1.8%
Background
3.2%
0.1%
0.7 %
0.0%
0.7%
Signal
95.1%
0.4%
1.3%
1.6%
2.1%
Background
2.9%
0.4%
0.7%
0.0%
0.7%
Gd濃度
0.0115%
0.0230%
中性子捕獲確率測定１
Am/Be エネルギー分布
解析
•
•
先発信号に対する後発信号
の数の比を用いて捕獲確率
を見積もる
事象選択の効率をMCで見積
もる
2.2MeVを避けて選択
事象選択条件
•
•
•
•
先発信号との時間差<400msec
再構成位置R2< 2m2
再構成の確度
エネルギー
Hitrate=
Hitrate=
NNeff >20
Cut
Gd
Eff
NPr ompt Trg
Cut
N
´
Eff
´
Eff
( Pr ompt Trg Gd Capture Gd + NSourceBkg. )
Gd g term
=
NNeff >20
NGd g
NPr omptTrg
Source Bkg term
19
中性子捕獲確率測定2
EffGd Capture =
Source Bkg
HitrateEff
(
)
4 MeV
Cut
Source Bkg
Eff
+
Eff
( Gd Gd )
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%
選択効率の不定性を考慮
20
中性子捕獲確率測定１
選択効率の見積もり
Am/Be エネルギー分布
Gd g
解析
•
•
先発信号に対する後発信号
の数の比を用いて捕獲確率
を見積もる
事象選択の効率をMCで見積
もる
事象選択条件
•
•
•
•
先発信号との時間差<400msec
再構成位置R2< 2m2
再構成の確度
エネルギー
Hitrate=
Cut
EffGd
=
2.2MeVを避けて選択
NNeff >20
NGd g
同様にSource BGの混入率も見積もる
Hitrate=
Gdg : EffGdSource Bkg
Source Bkg
4.4MeVg : Eff4MeV
NNeff >20
NPr ompt Trg
Cut
N
´
Eff
´
Eff
( Pr ompt Trg Gd Capture Gd + NSourceBkg. )
Gd g term
NPr omptTrg
Source Bkg term
21
EGADS実験
(Evaluating Gadolinium’s Action on Detector System)
実証実験
•
•
•
•
Gd添加水の透過率測定
Gd添加水の循環システム
同時遅延計測の実証
Etc.
22
スーパーカミオカンデ EGADS実験共同研究
Kamioka Observatory. ICRR Univ. of Tokyo
• M.Ikeda, Y.Kishimoto, L.Marti, 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
23
15トンタンク &
Gd事前処理システム
透過率測定装置
200トン検出器
Gd添加水循環システム
24
Water transparency effect check
LL20m
15 m3 tank test
80
⬇️Am/Be 115ppm
70
Hz/bin
️Am/Be 230ppm
⬇️
⬆️Run4222
60
50
40
30
️Run4718⬆️
20
10
0
2.11
3.3
3.23
4.12
5.2
5.22
25
BGO scintillator
HITSUM 信号
(ヒットしたPMTに比例した
高さを持つ信号）
2msec
BGO
26
Am/Be in pure water
先発信号と後発信号との時間差
先発信号
後発信号
28
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,
Source Background
Delayed gate (500msec)
Signal
Gd g
Scintillation light
BG1
4.4MeV g or Gd g or 2.2MeV g
BG2
Scintillation light
+ Gd g or 2.2MeV g
中性子捕獲確率測定１
MCの変数をデータに合うようにして選
択効率を再評価
EffGd Capture
( Hitrate- Eff
=
Source Bkg
4 MeV
)
( Eff
Cut
Gd
Source Bkg
+ EffGd
)
中性子捕獲時間
Fittingの精度
B.G
31
Precut 系統誤差
EffSig =
(N g )
Gd
After precut
N Gd g
=
NAm/Be - (NMC + NBG )
N Prompt ´ EffCapture
再構成位置after Precut
Precut後
の事象数
の比較
32
SK+Gd vessel ; likelihood analysis
SHE Trigger
AFT Trigger
33
Variables SHE & AFT
34
変数
先発信号との時間差
Fittingの精度1
エネルギー
Fittingの精度1
MC + BG
Shifted MC + Bkg. data
Am/Be data
BG data
事象の等方性
線源からの再構成位置
35
Gd g ray
36
中性子捕獲効率＠SK+Gd vessel
EffGd Capture
Hitrate- Eff
(
=
Source Bkg
4 MeV
)
( Eff
Cut
Gd
Source Bkg
+ EffGd
)
Data
Sys. Error
MC
SHE sub
13.09%
0.98%
12.87%
AFT
7.12%
0.72%
10.32%→7.33%
• 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
37
SK+Gd vessel (AFT)
Signal Reconstruction efficiency
• AFT Eff. = aft/AFT = 92.92%
• SHE Eff. = she/SHE= 91.49%
• Total = (aft+she)/(AFT+SHE) = 92.28%
38
Precut解析
• 系統誤差
Eff =
(N g )
Gd
After precut
N Gd g
再構成位置after Precut
N
- (NMC + NBG )
= Am/Be
N Prompt ´ EffCapture
– Signal : EGADS解析と同様
– Background : SHE sub ⇄ AFT
 DTカットを除けば本質的に同じ効率になるはず
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%
39
Likelihood解析
Gd g (Data) Gd g ( MC)
Efficiency[%]
Am/BeデータのLikelihood (SHE)
BG
Significance=Sig/(Sig+BG)1/2が最大
バックグラウンド事象
の統計数が少ないので
PDFを用いてバックグ
ラウンド事象を生成
SHE sub
AFT
Likelihood
cut効率
変数による
誤差
Signal
96.40%
0.67 %
Background
3.61%
0.64 %
Signal
97.83%
0.64%
Background
3.30%
0.66%
40
変数
MC (Gd g + 2.2 MeV g ) + Bkg. data
Shifted MC ( Gd g MC + 2.2 MeV g) + Bkg. data
DT [msec]
エネルギー
Fitting精度
Fitting精度2
Am/Be data
Bkg. data
事象の等方性
R2 = x2+y2+z2 [cm2]
41
Gd濃度
Gd2(SO4)3 + x ・ H2O 濃度 [ppm]
300
25.мар
275
タンク内でのサンプル箇所
250
Top
225
Centre
200
Bottom
175
150
125
100
75
50
Gd2(SO4)3 ・8H2O: 30kg
25
Gd2(SO4)3 ・8H2O: 30kg
01.апр
08.апр
15.апр
22.апр
29.апр
0
06.май