Precise measurements of neutrino-nucleus interactions and neutrino oscillations with a new neutrino detector

• Project/Area Number: 20H00149
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 15:Particle-, nuclear-, astro-physics, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 横山 将志 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90362441)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥44,200,000 (Direct Cost: ¥34,000,000、Indirect Cost: ¥10,200,000); Fiscal Year 2023: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000); Fiscal Year 2022: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000); Fiscal Year 2021: ¥18,850,000 (Direct Cost: ¥14,500,000、Indirect Cost: ¥4,350,000); Fiscal Year 2020: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
• Keywords: ニュートリノ / 反応断面積 / 粒子測定器 / CP対称性

Outline of Research at the Start

申請者が現在行っているT2K長基線ニュートリノ振動実験では，世界で初めてニュートリノ振動における粒子-反粒子対称性の破れ(CP 対称性の破れ)の兆候を観測した。今後，CP対称性の確実な「発見」を目指すにあたり主要な制限となると予想される，ニュートリノ-原子核反応断面積の不定性による系統誤差を削減するため，J-PARC加速器施設内に設置した前置ニュートリノ検出器の新型装置へのアップグレードを進める。新たな前置検出器を用いてニュートリノ-原子核反応断面積の精密測定を行い，ニュートリノ反応モデルの信頼性を高め，ニュートリノ振動の精密測定を実現し，CP対称性の破れの発見を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

T2K長基線ニュートリノ振動実験において、新たな前置検出器SuperFGDを用いてニュートリノ-原子核反応断面積の精密測定を行い、その結果を元にニュートリノ反応モデルの信頼性を高め不定性を削減することで、ニュートリノ振動の測定精度を究極まで高めることを目標としている。SuperFGD は，1 cm角の立方体のプラスチックシンチレータを多数並べて，3方向から波長変換ファイバーで読み出すことで荷電粒子の飛跡の3方向への射影を不感領域なく得ることができる検出器である。SuperFGD検出器の建設自体は別予算で進んでおり、本研究ではSuperFGD建設後にすぐさま運用を定常化し，その性能を最大限に引き出すための開発を行っている。
SuperFGD検出器は建設を終えて2023年10月に検出器ホールに設置し、試運転を行なった。装置を安定に運用するためのモニター系やシフト手順の確立を進めている。本研究課題で開発してきた手法を設置前後の動作確認、および運用後の装置の較正に利用している。飛跡・事象再構成ソフトウェアの開発も進め、電子ニュートリノ事象選別のためのアルゴリズムの改良を行ない、反応点の再構成や反応モードごとに区別して背景事象の理解を進めることで、モンテカルロシミュレーションにより性能の向上を確認した。さらに、SuperFGDの知見を将来のニュートリノ検出器に活かすための基礎研究として、新型の波長変換ファイバーの試験を行い時間分解能の向上を定量的に確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

新型コロナウィルス感染症の世界的流行の影響を受けて，SuperFGD検出器の建設計画は当初の予定より遅延した。しかし、本研究で検出器の立ち上げと較正、データ解析の準備を進めたことにより、早期に成果が創出できると期待できる。また、装置の立ち上げ、運用、データ解析は研究員や大学院生が中心となって進めており、次世代の研究者の育成も着実に進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

装置の較正を進め、収集したデータが解析に使用できる品質であることを確認し、再構成プログラムの開発と検証を行なってニュートリノ反応断面積の測定準備を進める。大学院生が中心となり、海外の研究者と協力してこれらの研究を進め、装置の建設からデータ解析までを一通り経験することで次世代の研究者を育成する機会とする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] LLR/IN2P3/LPNHE/IN2P3/CEA-Saclay(フランス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校/ジュネーブ大学/CERN(スイス)
• [Int'l Joint Research] 原子核研究所(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] ストーニーブルック大学/ペンシルバニア大学(米国)
• [Int'l Joint Research] LLR/IN2P3/LPNHE/IN2P3/CEA-Saclay(フランス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校/ジュネーブ大学/CERN(スイス)
• [Int'l Joint Research] 原子核研究所(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] ストーニーブルック大学/ペンシルバニア大学/ルイジアナ州立大学(米国)
• [Int'l Joint Research] LLR/IN2P3/LPNHE/IN2P3/CEA-Saclay(フランス)
• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校/ジュネーブ大学/CERN(スイス)
• [Int'l Joint Research] 原子核研究所(ロシア連邦)
• [Int'l Joint Research] ストーニーブルック大学/ペンシルバニア大学/ルイジアナ州立大学(米国)
• [Journal Article] Measurements of neutrino oscillation parameters from the T2K experiment using 3.6e21 protons on target (2023)
  • Author(s): Abe K.、Berns L.、et al.、T2K Collaboration
  • Journal Title: The European Physical Journal C Volume: 83 Issue: 9 Pages: 9-782
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-11819-x
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] SuperFGD prototype time resolution studies (2023)
  • Author(s): I. Alekseev, et al.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 18 Issue: 01 Pages: P01012-P01012
  • DOI: 10.1088/1748-0221/18/01/p01012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Total neutron cross-section measurement on CH with a novel 3D-projection scintillator detector (2023)
  • Author(s): Agarwal A, 他
  • Journal Title: Physics Letters B Volume: 840 Pages: 137843-137843
  • DOI: 10.1016/j.physletb.2023.137843
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Improved constraints on neutrino mixing from the T2K experiment with 3.13×10^21 protons on target (2021)
  • Author(s): Abe K. et. al. (T2K collaboration)
  • Journal Title: Physical Review D Volume: 103 Issue: 11 Pages: 1120081-62
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.112008
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase in Neutrino Oscillations (2020)
  • Author(s): Abe K et al. (T2K Collaboration)
  • Journal Title: Nature Volume: 580 Issue: 7803 Pages: 339-339
  • DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The SuperFGD Prototype charged particle beam tests (2020)
  • Author(s): Blondel A. et. al.
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 15 Issue: 12 Pages: P12003-P12003
  • DOI: 10.1088/1748-0221/15/12/p12003
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Search for Electron Antineutrino Appearance in a Long-Baseline Muon Antineutrino Beam (2020)
  • Author(s): Abe K et al. (T2K Collaboration)
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 16 Pages: 161802-161802
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.161802
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Review of Particle Physics (2020)
  • Author(s): P.A. Zyla et al. Particle Data Group Collaboration
  • Journal Title: PTEP Volume: 8 Issue: 8
  • DOI: 10.1093/ptep/ptaa104
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Combined neutrino oscillation analysis between Super-Kamiokande and T2K (2023)
  • Author(s): 江口碧
  • Organizer: 22nd International Workshop on Next Generation Nucleon Decay and Neutrino Detectors (NNN23)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Reconstruction and Selection of Neutrino Interactions In T2K ND280 Upgrade (2023)
  • Author(s): 江口碧
  • Organizer: Symposium University of Tokyo - ETH Zurich
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] T2K新型前置検出器における飛跡再構成とそれを用いた電子ニュートリノ識別手法の開発 (2023)
  • Author(s): 冲永和平
  • Organizer: 日本物理学会 第 78 回年次大会
• [Presentation] T2K実験新型前置検出器における陽子飛跡を利用した電子ニュートリノ反応識別手法の開発 (2023)
  • Author(s): 小林北斗
  • Organizer: 日本物理学会 第 78 回年次大会
• [Presentation] 発光時定数が短い新型波長変換ファイバーの電子ビームを用いた性能評価 (2023)
  • Author(s): 児玉将馬
  • Organizer: 日本物理学会 第 78 回年次大会
• [Presentation] mprovement in PID methods for selecting electron neutrino events in the up- graded near detector of T2K (2023)
  • Author(s): 冲永和平
  • Organizer: International Conference on the Physics of the Two Infinities
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of calibration methods for the SuperFGD in the T2K experiment using cosmic muons (2023)
  • Author(s): 児玉将馬
  • Organizer: International Conference on the Physics of the Two Infinities
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The T2K Near Detector upgrade (2022)
  • Author(s): 江口碧
  • Organizer: The 23rd International Workshop on Neutrinos from Accelerators (NuFact 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] EM shower reconstruction and elec- tron neutrino selection with the T2K SuperFGD detector, (2022)
  • Author(s): 江口碧
  • Organizer: The XXX International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (Neutrino 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] EM shower reconstruction and electron neutrino selection for the T2K near detector upgrade (2022)
  • Author(s): 江口碧
  • Organizer: The 21st international workshop on Next Generation Nucleon Decay and Neutrino De- tectors (NNN22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Performance test of multi- pixel photon counters for super-fine grained detector of T2K (2022)
  • Author(s): 吉本芳美
  • Organizer: The 21st international workshop on Next Generation Nucleon Decay and Neutrino De- tectors (NNN22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of calibration methods for the SuperFGD in the T2K experiment using cosmic muons (2022)
  • Author(s): 児玉将馬
  • Organizer: The 21st international workshop on Next Generation Nucleon Decay and Neutrino De- tectors (NNN22)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] T2K実験における新型前置検出器の宇宙線等を用いた較正手法の開発 (2022)
  • Author(s): 児玉将馬
  • Organizer: 第28回ICEPPシンポジウム
• [Presentation] T2K 前置検出器アップグレードに向けた電子ニュートリノ反応事象選別アルゴリズムの開発 (2021)
  • Author(s): 江口碧
  • Organizer: 日本物理学会 2021 年秋季大会
• [Presentation] 光センサー・シンチレーター周辺の最新状況レビュー (2021)
  • Author(s): 横山将志
  • Organizer: 高エネルギー将来計画委員会: 第13回勉強会
• [Presentation] T2K 新型前置検出器 SuperFGD における電子ニュートリノ反応事象とガンマ線反応事象の識別効率の評価 (2020)
  • Author(s): 江口碧
  • Organizer: 日本物理学会 2020 年秋季大会