[論文レビュー] Constraining the T2K Neutrino Flux Prediction with 2009 NA61/SHINE Replica-Target Data

Tomislav Vladisavljevic|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、2009年NA61/SHINEのレプリカターゲットデータを用いてT2Kニュートリノフラックス予測に対する新たな制約を提示し、ハドロン相互作用に起因する不確実性を約50%低減した。FLUKAベースのシミュレーションにレプリカターゲットの多重度重みと相互作用長補正を適用することで、パイオンの再散乱およびターゲット内相互作用のモデル化が向上し、フラックスピーク部での不確実性が5%未満にまで低下した。

ABSTRACT

Accurate modelling of the T2K neutrino flux is crucial for a better understanding of neutrino interactions at the near and far detectors. Most of T2K neutrinos are created through in-flight decays of unstable hadrons, produced by interactions of 31 GeV/c protons in a long graphite target (90 cm). External hadron production data is used for correcting the flux model. The analysis presented here uses a new NA61 dataset, collected in 2009 using the full length replica of the T2K target. The preliminary results suggest a reduction of the hadronic interaction component of the neutrino flux uncertainty by ~50%, to errors of less than 5%.

研究の動機と目的

• グラファイトターゲット内のハドロン相互作用に起因するT2Kニュートリノフラックス予測の不確実性を低減すること。
• NA61/SHINEの全長レプリカターゲット測定データを統合することで、フラックスモデルを改善し、一次および再相互作用を含む影響を反映させること。
• 特に低エネルギーのニュートリノ領域において、ハドロン相互作用に起因するフラックス不確実性を低減し、正確な混合パラメータ測定を支援すること。
• 長基準距離実験におけるニュートリノフラックス制約にあたって、薄いターゲットデータに比べてレプリカターゲットデータが優れた代替手段であることを検証すること。

提案手法

• フラックス予測は、入射粒子の運動量、角度、出射位置（p, θ, z）に応じた荷電ハドロン生成断面積を測定するNA61/SHINE 2009年レプリカターゲットデータを用いて制約される。
• パイオンの出射位置および運動量に応じた多重度重み w_replica(p, θ, z) を、シミュレートされたニュートリノイベントに適用し、ターゲット内ハドロン相互作用の補正が行われる。
• モデル予測と実測値との間に差異を示すハドロン相互作用長の違いを補正するため、相互作用長重み w(p, d) が用いられ、断面積不確実性に基づく。
• プロトン相互作用、ハドロンの伝搬および崩壊によるニュートリノ生成をモデル化するため、FLUKA2011、GEANT3、GCALORを統合して使用する。
• 薄いターゲットデータは、レプリカターゲットの有効領域外の非パイオンハドロンおよびパイオンに対して保持され、完全なカバレッジが確保される。
• 不確実性は準弾性断面積推定値を用いて誤差伝搬が行われ、レプリカターゲットデータはプロトン生成断面積を約200 mbに支持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄いターゲットデータのみを用いる場合と比較して、レプリカターゲットデータを用いることで、T2Kニュートリノフラックス予測におけるハドロン相互作用に起因する不確実性はどの程度低減されるか？
• RQ2 レプリカターゲットデータは、フラックスに顕著に寄与するターゲット内再相互作用およびパイオン再散乱をどの程度正確に制約できるか？
• RQ3 新しいフラックス制約は、特に低エネルギー領域における全体の不確実性予算にどのような影響を及ぼすか？
• RQ4 レプリカターゲットデータと薄いターゲットデータを併用することで、フラックスピーク部での不確実性を5%未満にまで低減できるか？
• RQ5 多重度重みおよび相互作用長重みは、ニュートリノフラックスシミュレーションの忠実性をどのように向上させるか？

主な発見

• 2009年NA61/SHINEレプリカターゲットデータと薄いターゲットデータを併用することで、T2Kニュートリノフラックスのハドロン相互作用に起因する不確実性は約50%低減された。
• レプリカターゲットで調整されたフラックス不確実性は、ニュートリノフラックスピーク部で5%未満であり、薄いターゲットデータのみを用いた場合に比べ顕著な改善が得られた。
• 不確実性の低減は、特にターゲット内再相互作用およびパイオン再散乱が支配的となる低エネルギー領域で顕著に現れた。
• ハドロン断面積モデルに起因する相互作用長不確実性は、レプリカターゲットデータが経路長依存の相互作用に敏感であるため、顕著に低減された。
• 多重度およびパイオン再散乱に起因する不確実性も低減され、全体の不確実性低減に寄与した。
• レプリカターゲットと薄いターゲットで制約されたフラックス予測の比は、誤差伝搬が抑制されており、レプリカターゲットで調整されたモデルの精度向上が検証された。