Search for Nucleon Decay to Test Grand Unified Theory

• Project/Area Number: 18J21619
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 竹中 彰 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2020: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 核子崩壊探索 / 大統一理論

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は大統一理論の証拠となる核子崩壊を発見、または、その崩壊寿命に世界最高の制限をつけることである。世界最大の二層式水チェレンコフ検出器であるスーパーカミオカンデ検出器の性能を最大限に用いるために、解析に使用する領域(有効質量領域)を先行研究よりも20%程度増大させ、核子崩壊p→e+π0、p→μ+π0の探索を行なった。
この有効質量拡張は、データ選別アルゴリズム改良によるデータ高品質化、事象再構成アルゴリズムの高精度化、検出器応答由来の系統誤差の詳細な見積もりにより完了しており、前回結果と比べて約1.5倍の統計量(観測時間25%向上を含む)を本研究では用いた。
探索の結果、p→e+π0については候補事象は観測されず、p→μ+π0については候補事象が一つ観測された。これらの結果は、期待される大気ニュートリノ由来の背景事象(p→e+π0: 0.59事象, p→μ+π0: 0.94事象)と無矛盾であり、核子崩壊を示す有意な信号の超過は見られなかった。そして、各崩壊モードについて、τ/B(p→e+π0)>1.6×10^{34}年、τ/B(p→μ+π0)>2.4×10^{34}年という世界で最も厳しい核子崩壊寿命下限値を信頼区間90%で設定した。
有効質量拡張を可能にした解析の改善、これらの核子崩壊探索の結果をスーパーカミオカンデコラボレーションの論文としてまとめ、Physical Review D誌より公表した。本研究の目的である「核子崩壊を発見できなかった場合でも、その崩壊事象に世界最高の制限を与える」ことを達成しており、研究は順調に進展した、と言える。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Search for proton decay via p→e+π0 and p→μ+π0 with an enlarged fiducial volume in Super-Kamiokande I-IV (2020)
  • Author(s): A.Takenaka他、M.Sakuda（160番目）（スーパーカミオカンデ共同実験、共著者約210名）
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 102 Issue: 11 Pages: 112011-112011
  • DOI: 10.1103/physrevd.102.112011
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proton Decay Search Sensitivity with the Enlarged Fiducial Mass of Super-Kamiokande (2020)
  • Author(s): Akira Takenaka, Masato Shiozawa, Hidekazu Tanaka for the Super-Kamiokande Collaboration
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 1468 Pages: 012160-012160
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Search for Proton Decay via p→e+π0 and p→μ+π0 in 450 kiloton*years Exposure of the Super-Kamiokande Detector (2020)
  • Author(s): Akira Takenaka
  • Organizer: 40th International Conference on High Energy Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スーパーカミオカンデ検出器の拡張有効質量を用いた陽子崩壊探索結果 (2020)
  • Author(s): 竹中 彰
  • Organizer: 2020年度日本物理学会秋季大会
• [Presentation] スーパーカミオカンデにおける陽子崩壊探索と大気ニュートリノ振動の最新結果 (2020)
  • Author(s): 竹中 彰
  • Organizer: 令和二年度東京大学宇宙線研究所共同利用研究成果発表会
• [Presentation] Expanding Fiducial Volume of Super-Kamiokande Detector and Search for Proton Decay (2019)
  • Author(s): Akira Takenaka
  • Organizer: Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos Workshop2019
  • Invited
• [Presentation] Proton Decay Search Sensitivity with the Enlarged Fiducial Mass of Super-Kamiokande (2019)
  • Author(s): Akira Takenaka, Masato Shiozawa, Hidekazu Tanaka
  • Organizer: 6th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] スーパーカミオカンデ検出器の拡張有効質量を用いた陽子崩壊探索 (2019)
  • Author(s): 竹中彰、塩澤眞人、田中秀和
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] スーパーカミオカンデ拡張有効質量を用いた陽子崩壊探索 (2019)
  • Author(s): 竹中彰
  • Organizer: Flavor Physics Workshop 2019
• [Presentation] Search for Proton Decay: The Latest Results from Super-Kamiokande (2019)
  • Author(s): Akira Takenaka
  • Organizer: NuPhys2019: Prospects in Neutrino Physics
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] スーパーカミオカンデ検出器の拡張有効体積を用いた陽子崩壊探索の研究 (2019)
  • Author(s): 竹中彰
  • Organizer: 宇宙線研究所 2019年修士博士発表会
• [Presentation] スーパーカミオカンデ検出器の拡張有効体積を用いた陽子崩壊探索 (2019)
  • Author(s): 竹中彰, 塩澤眞人, 田中秀和
  • Organizer: 日本物理学会 第74回年次大会
• [Presentation] スーパーカミオカンデ有効体積拡張のための研究 (2018)
  • Author(s): 竹中彰, 塩澤眞人, 田中秀和
  • Organizer: 日本物理学会 2018年秋季大会
• [Remarks] 竹中彰-東京大学博士論文
  • URL: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/_pdf/articles/2021/thesis.Akira.Takenaka.20210118.submit.pdf
• [Remarks] スーパーカミオカンデ公式ホームページ
  • URL: http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index.html
• [Remarks] ハイパーカミオカンデ公式ホームページ
  • URL: http://www.hyper-k.org/index.html