2019 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of the Symmetry in Particle Physics with an Accelerator Neutrino Beam
| Project Area | Exploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos |
|---|
| Project/Area Number |
18H05537
|
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
中家 剛 京都大学, 理学研究科, 教授 (50314175)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福田 努 名古屋大学, 高等研究院(理), 特任助教 (10444390)
中平 武 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 准教授 (30378575)
木河 達也 京都大学, 理学研究科, 助教 (60823408)
小関 忠 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (70225449)
清矢 良浩 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (80251031)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
|
| Keywords | ニュートリノ / 加速器 / 反粒子 / 対称性 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
T2K実験でニュートリノ振動を精密に測定することで、ニュートリノ質量とその混合を決定し、素粒子の対称性を精査する。対称性は、大統一理論などの新物理を解明する鍵であり、本領域の目標「新しい素粒子・宇宙像の創造」に向けて必要不可欠な研究対象である。目標に達成するために必要な測定装置の準備、新しいニュートリノ反応実験の立ち上げ、ニュートリノ振動解析の高度化を進めてきた。(1)J-PARC加速器の大強度陽子ビームを見る新しい目となる「16電極ピックアップ型非破壊ビームモニター」を完成させ、ビーム診断に活用した。同時に、大強度のニュートリノビームを安全に運転し、515kWの大強度運転を実現した。新たに~5×10^20陽子のデータを蓄積し、統計誤差を改善した。(2)ニュートリノ反応の不定性を削減するために水標的と原子核乾板を使った新型ニュートリノ測定器を製作し、ニュートリノビームデータを取得することに成功した。並行して、パイロット実験の物理データを解析することで、水標的におけるニュートリノ反応を観測し、200MeV/cの低い運動量の陽子の観測に成功した。この解析プログラムを新しいデータに適用することで、高い精度でニュートリノ反応断面積の測定ができることを実証した。(3)T2K実験で、ニュートリノ振動解析の高度化を進め、これまでに取得した1.49×10^21（1.64×10^21）陽子数のニュートリノ（反ニュートリノ）データを解析し、新しい結果を得た。その結果はsin^2(θ_23)=0.53+0.03-0.04と現時点で+6%、-8%の精度を達成している。δ_CPは世界で初めて3σの有意度で測定した。一方、CPが破れていない可能性（δ_CP =0 or πの値）については2σ（95%）の有意度で排除できた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2019年度当初に加速器の故障があったものの、11月から翌年2月にかけてニュートリノビームデータの収集を無事終了した。データ取得は新型コロナウィルスの感染拡大が始まる直前に終了し、ある意味運がよかった。加速器ビームの理解とその改善、ニュートリノ反応の新しい測定、ニュートリノ振動の感度向上、と研究全般は順調に進展した。
(1)J-PARC加速器用の16電極ピックアップ型非破壊ビームモニター（16BPM）でビームデータを取得した。現在はこのデータの解析を進めているが、加速途中のエミッタンス測定で、興味深い現象が見えている。現在は、16BPMの測定と他のビームモニターの測定を比較することで、16BPM測定に付随する系統誤差を調べている。2019年11月から2020年2月にかけてニュートリビームデータを取得し、測定の統計誤差を改善した。(2)「ニュートリノ反応断面積の測定」の実験装置を完成させ、データを取得した。実験装置は、「水」標的、原子核乾板、シンチレータートラッカー、ミューオン測定器で構成されており、各測定器が設計した通りの性能で稼働した。原子核乾板を採用した新実験につき、これまでの検出器では観測できなかった低エネルギー陽子を高い効率で検出し、CCQE やその他の反応形式(CC-1π、2p2h)を高精度で測定できる見通しである。新しいデータ収集と並行して、これまでに取得した原子核乾板でのニュートリノ反応データを使って、解析プログラムの開発が進んだ。(3)ニュートリノ振動の解析手法を着実に改善し、ニュートリノ振動を測定し、CP対称性の破れを精査した。また、T2K実験の前置ニュートリノ測定器を使って、ニュートリノ反応断面積の新しい測定を行った。
|
| Strategy for Future Research Activity |
新型コロナウィルスの感染状況によってはビームタイムが大幅に制限される可能性もあるが、できるだけ多くのデータの取得を目指す。また、これまでに取得したデータを詳しく解析することで、ニュートリノ振動測定の精度向上を目指す。
次の3つの研究課題を実行する。(1)J-PARC加速器に設置した16電極ピックアップ型非破壊ビームモニターで取得したデータを解析し、大強度陽子ビームの振る舞いの理解を進める。特に、前段加速器から主リングへの入射時のビーム特性の適合度、加速中のビーム特性の変化を測定する。その知見をもとに、ビーム強度の向上、大強度ビームの安定運転、大量のデータ取得を実現し、ニュートリノ振動の統計誤差を改善する。(2)ニュートリノ振動の測定の主要な系統誤差であるニュートリノ反応の不定性の削減を進める。ニュートリノ反応モデルの理解、特に原子核中に束縛されている核子の束縛エネルギーの取り扱いを改善することで、不定性を削減する。また、2019年度に実施した「ニュートリノ反応断面積の測定」実験のデータを解析する。実験は、「水」標的、原子核乾板、シンチレータートラッカー、ミューオン測定器で構成されており、まず各々の測定器のデータ較正とイベント再構築を進める。その後に全ての測定器のデータを統合し、ニュートリノ反応イベントの完全再構成を行う。同時に、以前に取得したプロトタイプ実験のデータ解析から、これまでに観測できなかった運動量200MeV/cの陽子を捕らえ、ニュートリノ事象の観測を目指す。(3)T2K実験でニュートリノ振動の解析手法を改善し、上記(1)と(2)の研究結果を合わせ、θ23を世界最高精度で測定し、CP対称性の破れのパラメータに世界でもっとも厳しい制限を課す。
|
| Remarks |
ニュートリノ解説用のマンガ:
https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/nucosmos/files/NC-pamph.pdf
|
