Design of Majorana neutrino mass spectroscopy experiments

2020 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 17H02895
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Particle/Nuclear/Cosmic ray/Astro physics
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: Yoshimura Motohiko 岡山大学, 異分野基礎科学研究所, 教授 (70108447)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 実 大阪大学, 理学研究科, 助教 (70273729) ; 齋藤 晋 東京工業大学, 理学院, 教授 (00262254)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: マヨラナ粒子 / ニュートリノ質量絶対値 / ランタノイドイオン / SQUID / パリティ非保存 / CP対称性の破れ / 物質・反物質不均衡

Outline of Final Research Achievements

Magnetizaion generated at radiative neutrino pair emission was found to be the best experimental method to explore still unknown neutrino property and quantity, namely determination of neutrino mass type, Majorana or Dirac type, and absolute masses of three neutrinos. Atomic de-excitation from laser-excited lanthanoid ions doped in host crystals gives a favorable situation in terms of angular distribution shape and magnitude of generated magnetic field. Detailed study was carried out for trivalent Er ion doped in host crystals such as YLF. A new calculation method beyond the infinite size limit of target system has been developed with success, yielding quantitative numerical results. In order to achieve measurable rates, one needs a high degree of coherence within participating ions, which was confirmed by detailed numerical study based on four-level optical Bloch equation.

Free Research Field

素粒子物理

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ニュートリノは宇宙初期から大量に存在し、宇宙の物質・反物質不均衡の謎を解く鍵であるにも拘わらず、その根幹になるマヨラナ性すら実験で証明されていない不思議な、依然として謎の多い基本粒子である。著者らは15年以上前から、将来のニュートリノ研究の中心は原子核を標的とした振動実験等ではなく、原子・分子・イオンが最重要である、ことを指摘し、実験原理の研究を遂行してきた。ようやく必要なイオン標的数を確保したうえで物性的手法で測定する方法を提案することができた。この方法を実証することにより、宇宙背景ニュートリノの測定も視野に入り、宇宙開闢1秒後に迫れる筋道を得たことにより、学術をこえた社会的意義に到達した。