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2021 Fiscal Year Annual Research Report

Exploration of the Symmetry in Particle Physics with an Accelerator Neutrino Beam

Planned Research

Project AreaExploration of Particle Physics and Cosmology with Neutrinos
Project/Area Number 18H05537
Research InstitutionKyoto 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, 教授 (30378575)
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, 施設長 (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、ニュートリノビームデーターのさらなる蓄積、J-PARC加速器に設置した新型ビームモニターによるビーム特性の解析、新しいニュートリノ反応実験NINJAでのニュートリノ反応断面積測定、そしてニュートリノ振動解析の高度化を進めてきた。(1) 2021年4月末まで515kWのビーム強度でニュートリノビームデーターを蓄積し、新たに1.8×10^20陽子のデータを追加し、統計誤差を改善した。(2)「16電極ピックアップ型非破壊ビームモニター」でJ-PARC MRのビーム軌道のデータを取得し、入射前と入射後のビームエミッタンスを測定した。(3)NINJA実験のシンチレータ飛跡検出器について論文を投稿し(NIM A 1034, 166775 (2022))、反応断面積測定に向けたデータ解析を進めた。(4)T2K実験で、ニュートリノ反応で原子核効果をプローブできるTransverse Kinematic Imbalanceパラメーターを測定し、論文として発表した(Phys. Rev. D 103, 112009 (2021))。また、ニュートリノ振動解析を高度化し、その結果を論文として発表した(Phys. Rev. D 103, 112008 (2021))。本研究の目標の一つである振動パラメータθ_23に関して、sin^22θ_23=0.53+0.03-0.04と測定し、θ_23が45度以上である有意度を80%とした。CP対称性が成立している可能性を2σの有意度で排除し、CP対称性が破れている可能性を示した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

2021年度は新型コロナウィルス感染拡大が始まって1年経過したこともあり、行動制限がある状況でも、実験を着実に前進させることができた。国際共同研究において、外国人研究者の訪日が制限されていることから、日本にいる研究者だけで実験装置を稼働させ、大強度ニュートリノビームデータの収集に成功した。国際共同研究の現場はオンラインが主体となり、オンラインツールを駆使して、実験装置のリモートモニタリング、実験のリモートシフト、オンライン会議による研究打ち合わせ、データ解析、論文執筆を進めた。また、国際学会と国内学会における成果発表もオンラインが主体となり、多くの若手研究者がオンラインで学会に参加し成果を発表した。
研究成果に関しては、ニュートリノ振動解析の最新結果、Transverse Kinematic Imbalanceパラメーター測定によるニュートリノ反応における原子核効果の測定、鉄標的におけるニュートリノ反応における生成粒子多重度測定を実行した。加速器は4月の実験データ収集後の夏から、大強度化に向けた電磁石電源の交換作業のため1年間のシャットダウンに入った。加速器ビームの増強と理解、ニュートリノ反応の測定、ニュートリノ振動パラメーターの精度向上、と研究全般は順調に進展した。
具体的には、(1) 遺伝的アルゴリズムをベースに「16電極ピックアップ型非破壊ビームモニター」のデータを解析し、 ビームの多重極モーメントに対する最適解を求めた。 (2)NINJA実験で2019年度に取得したデータの解析を進めた。ニュートリノ反応で生成された荷電粒子の運動量再構成の精度を改善し、全データの1/9のニュートリノ反応を解析した。 (3)ニュートリノ振動の解析では、複数リングを持つ事象サンプルを解析に加え統計精度を改善することで、振動パラメータの測定精度を改善した。

Strategy for Future Research Activity

新型コロナウィルス感染症の影響が続き、海外からの共同研究者の入国予定が立たない状況が続いている。また、それと共に、サプライチェーンの分断等、実験装置製作に対する影響等もある。J-PARC加速器の大強度化は着実に進んでおり、2021年夏から始まったロングシャットダウンは2022年度初頭に完了し、その後は750kW以上での大強度運転が予定されている。新しいデータを取るまでは、これまでに取得したデータをより詳しく丁寧に解析することで、複数の反応形式でのニュートリノ反応断面積の測定、新しいデータサンプル(複数リング事象や有効体積拡大)の系統誤差を評価し、ニュートリノ振動測定の精度向上を目指す。
本研究課題では、(1)加速器のビームの理解を深めることによるビーム強度の増加、(2)ニュートリノ反応断面積の精密測定によるニュートリノ反応模型の理解の向上、そして(3)上記(1)と(2)の研究成果をまとめることで、ニュートリノ振動測定の高精度化を進めていく。(1)に関しては、J-PARC加速器の電源増強により2022年度から飛躍的なビームパワーの向上が計画されていて、ビームの理解はより重要となっていく。(2)に関しては、福田を中心に複数の博士院生が協力して、データの解析進度を上げていく。(3)に関しては、コロナの影響でビームタイムが減っていることを逆手に取り、より多くの労力を物理解析に注力していく。現在、θ23の測定精度とCP対称性の破れのパラメータに対する感度は世界最高を達成しているが、さらなる改善を目指していく。

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

  • Research Products

    (49 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (6 results) Journal Article (2 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (34 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 2 results) Book (1 results) Remarks (5 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Int'l Joint Research] UC Irvine/Boston University/U. Collorado(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      UC Irvine/Boston University/U. Collorado
    • # of Other Institutions
      9
  • [Int'l Joint Research] TRIUMF/York/U. Victoria(カナダ)

    • Country Name
      CANADA
    • Counterpart Institution
      TRIUMF/York/U. Victoria
    • # of Other Institutions
      5
  • [Int'l Joint Research] INFN, U.Bari/INFN,U.Napoli/INFN,U.Padova(イタリア)

    • Country Name
      ITALY
    • Counterpart Institution
      INFN, U.Bari/INFN,U.Napoli/INFN,U.Padova
    • # of Other Institutions
      1
  • [Int'l Joint Research] IFJ PAN, Cracow/NCBJ, Warsaw/U. Silesia, Katowice(ポーランド)

    • Country Name
      POLAND
    • Counterpart Institution
      IFJ PAN, Cracow/NCBJ, Warsaw/U. Silesia, Katowice
    • # of Other Institutions
      3
  • [Int'l Joint Research] ETH Zurich/U. Geneva/CERN(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      ETH Zurich/U. Geneva/CERN
    • # of Other Institutions
      1
  • [Int'l Joint Research]

    • # of Other Countries
      6
  • [Journal Article] First T2K measurement of transverse kinematic imbalance in the muon-neutrino charged-current single-π+ production channel containing at least one proton2021

    • Author(s)
      T. Nakaya, T. Nakadaira, Y. Seiya, T. Kikawa et al. ( T2K collaboration)
    • Journal Title

      Phys.Rev.D

      Volume: 103 Pages: 112009

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.103.112009

    • 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 target2021

    • Author(s)
      T. Nakaya, T. Nakadaira, Y. Seiya, T. Kikawa et al. ( T2K collaboration)
    • Journal Title

      Phys.Rev.D

      Volume: 103 Pages: 112008

    • DOI

      10.1103/PhysRevD.103.112008

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] NINJA 実験物理ランにおけるニュートリノ反応の測定2022

    • Author(s)
      小田川 高大
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] NINJA 実験物理ランにおける電子ニュートリノ反応の解析手法の開発2022

    • Author(s)
      霞 綺花
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] J-PARCニュートリノビーム大強度化に対応するミューオンモニターの開発2022

    • Author(s)
      本條 貴司
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] T2K実験ミューオンモニターに用いる電子増倍管の電子ビーム試験による初期不安定性及び放射線耐性の評価2022

    • Author(s)
      山本 達也
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] T2K実験におけるニュートリノフラックス推定精度の向上のための電磁ホーン冷却水分布測定2022

    • Author(s)
      西森早紀子
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] カメラとロボットアームを用いたシンチレータの品質管理2022

    • Author(s)
      木河達也
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] T2K実験新前置検出器のための低電圧印加SiPMを用いたファイバー試験システムの開発2022

    • Author(s)
      川上将輝
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] ニュートリノ反応の精密測定のための水ベースの液体シンチレータ検出器の開発2022

    • Author(s)
      浅野有香
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] 加速劣化試験によるT2K前置検出器シンチレータの光量減少評価およびHK実験への影響の見積もり2022

    • Author(s)
      有元隼太
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] 原子核乾板検出器を用いたニュートリノの水との反応の測定2022

    • Author(s)
      平本綾美
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] T2K Experiment2022

    • Author(s)
      Lukas Berns
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
  • [Presentation] J-PARC MRのビーム増強計画の進捗と展望2022

    • Author(s)
      佐藤洋一
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
    • Invited
  • [Presentation] 大強度ビームで実現する加速器ニュートリノ実験の展開2022

    • Author(s)
      市川温子
    • Organizer
      日本物理学会第 77 回年次大会(2022年),2022年3月15日~18日, 岡山大学 津島キャンパス,岡山理科大学 岡山キャンパス (新型コロナにより現地開催中止)オンライン開催
    • Invited
  • [Presentation] Observation of neutrino-water interaction using nuclear emulsion detector (Poster)2021

    • Author(s)
      T. Odagawa
    • Organizer
      US-Japan Hawaii Symposium of the US-Japan Science and Technology Cooperation Program
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Current Status and Future Plan of NINJA Experiment at J-PARC2021

    • Author(s)
      T. Matsuo
    • Organizer
      International Conference on Advanced Imaging 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Measurement of neutrino charged-current interactions on iron using a nuclear emulsion detector in the NINJA experiment2021

    • Author(s)
      H. Oshima
    • Organizer
      International Conference on Advanced Imaging 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A new application of nuclear emulsion film for shifters in the NINJA experiment (Poster)2021

    • Author(s)
      S. Mikado
    • Organizer
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis status of Physics Run a in NINJA experiment (Poster)2021

    • Author(s)
      Y. Suzuki
    • Organizer
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] NINJA experiment : Neutrino research program with nuclear emulsion at J-PARC2021

    • Author(s)
      T. Fukuda
    • Organizer
      International Conference on Materials and Systems for Sustainability 2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Towards the measurement of neutrino cross section on H2O and CH target at 1GeV region by T2K-WAGASCI experiment,2021

    • Author(s)
      K. Yasutome
    • Organizer
      NuFact 2021: The 22nd International Workshop on Neutrinos from Accelerators
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Beam Instability Issue and Transverse Feedback System in the MR of J-PARC2021

    • Author(s)
      T. Toyama
    • Organizer
      HB2021
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] NINJA実験・物理ランにおけるニュートリノ反応探索2021

    • Author(s)
      福田 努
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] NINJA 実験物理ランにおけるニュートリノ反応に由来する荷電粒子の運動量再構成2021

    • Author(s)
      小田川 高大
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] T2K-WAGASCI実験の横方向ミューオン飛跡検出器の位置分解能の評価と次期物理測定に向けた展望2021

    • Author(s)
      本條 貴司
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] T2K-WAGASCI実験におけるセルオートマトンを用いた 飛跡再構成アルゴリズムの性能評価2021

    • Author(s)
      高安 咲妃
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] T2K-WAGASCI実験におけるMinimum Spanning Treeを用いた飛跡再構成アルゴリズムの性能評価2021

    • Author(s)
      西崎 勁矢
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] 16電極ビームモニターを用いたビームプロファイル測定のための最適化アルゴリズムの開発,2021

    • Author(s)
      李耀漢
    • Organizer
      第18回日本加速器学会年会
  • [Presentation] T2K 実験における前置検出器アップグレードに向けたニュートリノ振動解析手法の開発2021

    • Author(s)
      栗林宗一郎
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] 水標的ニュートリノ反応精密測定に向けた3Dプリンタと水ベース液体シンチレータを用いた新型飛跡検出器の開発2021

    • Author(s)
      木河達也
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] T2K 新前置検出器SuperFGD建設時における波長変換ファイバー試験システムの開発2021

    • Author(s)
      川上将輝
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] T2K実験新型ニュートリノ検出器のためのシンチレータキューブ品質検査システムの開発2021

    • Author(s)
      谷真央
    • Organizer
      日本物理学会 2021 年秋季大会,2021年9月14日~17日, 神戸大学 現地開催中止,オンライン開催
  • [Presentation] 16電極ビームモニターを用いたビームプロファイル測定のための最適化アルゴリズムの開発2021

    • Author(s)
      李 耀漢
    • Organizer
      第18回 加速器学会
  • [Presentation] J-PARC MRのFXセプタムとFXキッカーのインピーダンスの評価と対策2021

    • Author(s)
      小林愛音
    • Organizer
      第18回 加速器学会
  • [Presentation] 伸長ワイヤー法による縦方向結合インピーダンス測定値の因果律による吟味2021

    • Author(s)
      外山毅
    • Organizer
      第18回 加速器学会
  • [Book] 量子論がゼロからわかる~古代ギリシャの原子論から最新の量子重力理論まで2021

    • Author(s)
      ステン オデンワルド (著), 中家 剛 (監修), 今田 マーサ (翻訳)
    • Total Pages
      256
    • Publisher
      ニュートンプレス
    • ISBN
      4315524689
  • [Remarks] ニュートリノで拓く素粒子と宇宙

    • URL

      https://www-he.scphys.kyoto-u.ac.jp/nucosmos/index.html

  • [Remarks] T2K実験ホームページ

    • URL

      https://t2k-experiment.org

  • [Remarks] ニュートリノ反応精密測定実験 NINJA

    • URL

      https://flab.phys.nagoya-u.ac.jp/ninja/

  • [Remarks] スーパーカミオカンデ

    • URL

      http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/

  • [Remarks] J-PARC

    • URL

      http://j-parc.jp/c/index.html

  • [Funded Workshop] NINJA mini-workshop with theorists2021

URL: 

Published: 2023-12-25  

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