2019 Fiscal Year Annual Research Report
Exploring the new era of particle physics through the observation of natural neutrinos and the proton decay search
| Project Area | Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos |
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| Project/Area Number |
18H05536
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
早戸 良成 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (60321535)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
久世 正弘 東京工業大学, 理学院, 教授 (00225153)
清水 格 東北大学, ニュートリノ科学研究センター, 准教授 (10400227)
鈴木 州 神戸大学, 理学研究科, 助教 (20243298)
ウェンデル ロジャー 京都大学, 理学研究科, 准教授 (20647656)
石塚 正基 東京理科大学, 理工学部物理学科, 教授 (40533196)
西村 康宏 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (40648119)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | ニュートリノ / 陽子崩壊 / 大統一理論 / 光検出器 / データ収集システム / 大気ニュートリノ振動 / ニュートリノ質量階層性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
スーパーカミオカンデ(SK)のデータ解析では、陽子が３つの荷電レプトンに崩壊する事象探索を行った結果を出版した(Phys. Rev. D101, 52011)が、残念ながら有意な事象数超過は確認されなかった。また、既に昨年度報告済だが、新手法により有効体積を30%拡張したSK 4(2008-2018)の大気ニュートリノデータ解析論文がPTEPに掲載された（PTEP 2019, 053F01)。また、これとは異なる手法を用い、1996年以来（SK1-)の全ての実験期間の陽子崩壊ならびに大気ニュートリノデータ解析の有効体積を20%拡張することに成功した。まず、陽子が陽電子と中性パイ粒子、およびミュー粒子と中性パイ粒子にに崩壊する場合について、その探索感度や系統誤差評価を完了した。また、T2K実験のデータを用いたニュートリノ反応時に生成する脱励起γ線に関する研究についても論文を発表した。(Phys. Rev. D100, 112009)
ハイパーカミオカンデ（HK) 用の 50cm 光電子増倍管（PMT) については、ガラス中の放射性元素の削減に成功、さらなる低ノイズ化を実現した。さらに PMT 量産時においてもこれを達成できることがわかった。PMT 用高電圧電源については、小型化しつつ寿命を担保するための設計・開発を行い、目標サイズと性能を達成できる機器の設計が完了した。時刻・同期信号配布システムに用いる水中用ファイバーおよびコネクタの試作品の評価は、信号転送性能については問題ないことが確認された。信頼性向上およびコスト削減のため、機器に直接取り付け可能なコネクタの設計を開始した。時刻・同期信号配布システムについては、電荷・時間測定用のボードとの統合試験を開始、問題なく動作することまでが確認できている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
SKが実験開始の1996年から取得した全期間のデータについて有効体積を20%拡張することが可能となった。主要な陽子崩壊モードについての解析において、拡張領域の系統誤差が大きく増えることもなく、統計量を一気に20%増やすことが可能であることを示すことができ、探索感度を大きく伸ばすことができた。また、この手法を大気ニュートリノ解析に適用する研究も進んでおり、系統誤差評価を進めている。これらについては、当初予測よりも早く進捗することとなった。また、T2K実験のデータを用いた中性カレント核子弾性散乱の解析は、これ自身が超新星残骸ニュートリノの背景事象評価に役立つほか、今後、ガドリニウムを導入した後のデータとの比較を通して、中性子放出数やガンマ線エネルギースペクトラムの理解などにも役立つことが期待される。また、SKにおいて太陽ニュートリノなど低エネルギー事象観測の背景事象を作る水中のラドンについての理解がさらに深まり、論文を投稿している。また、除去をさらに高効率で行うシステムの開発も進み、こちらについても論文を投稿している。GPUを用いて低エネルギー事象を高速で再構成してノイズ除去を行うソフトウェアの開発も進んでおり、GPUを複数積んだ計算機を神岡に導入した試験フェーズに移行する。
HK 用 PMT は 2020 年度から大量生産を開始するが、この前にガラスの改良による低ノイズ化が実現され、HK 検出器の性能をより高めることが可能となった。 PMT 用の高電圧電源の本番用プロトタイプの開発も行い、実際に利用可能な 24 PMT 用の設計がほぼ完了した。 さらに、信号記録用のデジタイザとタイミング同期信号の配布装置についても順調に開発が進んでおり、試験信号を用いた統合試験も開始することができた。エレクトロニクス水中設置用ケースの設計も進み、試作を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
SKの陽子崩壊探索については、超対称性GUT模型で予言されるようなK粒子を含む崩壊や、主要なGUT模型で予言される崩壊モードについて探索を行う。ガドリニウム(Gd)がSKに導入されたため、これに対応した検出器シミュレーションプログラムおよび、中性子探索手法の開発、改良を早急に実施する。これまでの研究から、大気ニュートリノ事象で発生する中性子数は物理モデルによる依存性がおおきいことがわかった。この理解を深めることは大気ニュートリノ事象の解析だけでは困難なため、T2K（前置検出器）、WAGASCI、NINJAの各実験と協力しながら、ニュートリノ・酸素原子核反応や検出器（水）中でのメソンおよび核子の反応模型などを統合的に扱うことで研究を進める。水中のラドン除去装置については、これまで評価してきた除去用フィルタ（樹脂）から最適なものを選択し、これを用いた装置の設計、製作を完成させる。
HK 用 PMT については、最終的に量産された PMT を用いて、性能評価を行い、性能のばらつきなどがないことを確認する。また、検出器に設置した際の較正方法の検討を開始する。また、水中に設置した際に衝撃波を生成しないためのPMT用誘爆防止ケースの最終試作と実地試験を行う。PMT 信号記録用エレクトロニクスについては、時刻同期・分配システムと組み合わせて、実際のPMT信号やこれに模した試験信号を用いてその性能評価を行う。同時に、実際のPMTの性能評価における試作エレクトロニクス利用の準備も進めてゆく。同期信号分配には実際に開発の水中用ファイバーおよびコネクタを用いる。また、ケースの製作、その試験を実施するほか、コスト削減の方法についてさらに検討を行う。高電圧装置の試作も進める。
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