2019 Fiscal Year Annual Research Report
Measurement of the neutron lifetime using pulsed neutron beams at J-PARC : Resolving the neutron lifetime puzzle
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19H00690
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| Research Institution | High Energy Accelerator Research Organization |
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Principal Investigator |
三島 賢二 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 物質構造科学研究所, 特別准教授 (20392136)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関場 大一郎 筑波大学, 数理物質系, 講師 (20396807)
吉岡 瑞樹 九州大学, 先端素粒子物理研究センター, 准教授 (20401317)
角野 浩史 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (90332593)
北口 雅暁 名古屋大学, 素粒子宇宙起源研究所, 准教授 (90397571)
山下 了 東京大学, 素粒子物理国際研究センター, 特任教授 (60272465)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 中性子寿命 / ビッグバン元素合成 / CKM行列 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
中性子の寿命はビッグバン元素合成を知る上での重要なパラメーターである。中性子の寿命は中性子数と単位時間当たりの崩壊数を数えるビーム法と超冷中性子を蓄積してその崩壊時間を測定する蓄積法の2種類が存在するが、値が8.5秒(4.0σ)ずれており喫緊の問題となっている。本実験はこの問題を解決すべく既存の実験とは異なる手法によって中性子寿命の精密測定を測定を行うものである。2020年度の進捗を以下にまとめる。
1) データ解析: 中性子寿命の物理測定は2014年から開始した。解析コードやシミュレーションの高度化を行い、この実験の最初の物理結果を論文に出版した(K. Hirota et al., Prog. Theor. Exp. Phys. (2020) 123C02)。得られた中性子寿命の値は 898 ± 10(stat.)+15/-18(syst.)秒であり、ビーム法、蓄積法の双方と無矛盾な値であった。ここから更に精度を上げるために、2019年までに取得したデータ(全て合わせて統計精度4秒に相当)の解析を進めている。
2) スピンフリップチョッパーのアップグレード:本実験では長さ1 mのガス検出器に40 cm長に整形した中性子バンチを導入し、中性子バンチが完全にTPC内にある条件のときのみ測定を行う。統計誤差の向上、また系統誤差研究のためにはより高強度の中性子が必要な状態である。中性子強度は中性子輸送に用いているスピンフリップチョッパー(SFC)の大きさにより制限されている。そこで従来よりも大型のSFCを設計、作成しビームラインにインストールした。結果今までの3.2倍のビーム強度増強に成功した。この高強度中性子を用いて統計誤差、系統誤差の改善に努める予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
大型SFCは2019年度中に完成していたが、新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の影響により、そのビームラインへのインストール作業が大幅に遅れることとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年に論文化したデータは2014年から2016年に取得されたデータ解析から得られたもので中性子寿命の値は898 ± 10(stat.)+15/-18 (syst.)秒であった。ビーム法、蓄積法のどちらが正しいのか、あるいは双方のデータが正しいのか、について言及するためにはここから1桁程度の精度向上が求められる。
現在2019年までに取得したデータの解析を進めている。これは統計精度4秒に相当にする。現在系統誤差要因の大きなものとして、中性子起因のバックグラウンドが存在する。これは計算で予想された量の4倍程度が観測されており、この評価に大きな系統誤差がついている。解析からバックグラウンドの原因追求を行っているが、統計がその精度を律速している。まずは大型SFCを用いた大強度中性子ビームによる系統誤差削減の研究を行う。系統誤差の削減に成功した後、本実験の目標である精度1秒に向けたデータ取得を開始する予定である。
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[Journal Article] Neutron lifetime measurement with pulsed cold neutrons2020
Author(s)
Hirota K、Ichikawa G、Ieki S、Ino T、Iwashita Y、Kitaguchi M、Kitahara R、Koga J、Mishima K、Mogi T、Morikawa K、Morishita A、Nagakura N、Oide H、Okabe H、Otono H、Seki Y、Sekiba D、Shima T、Shimizu H M、Sumi N、Sumino H、Tomita T、Uehara H、Yamada T、Yamashita S、Yano K、Yokohashi M、Yoshioka T
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Journal Title
Progress of Theoretical and Experimental Physics
Volume: 2020
Pages: 123C02
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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