2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study of high-energy neutrinos at the LHC
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19H01909
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
有賀 智子 (古川) 九州大学, 基幹教育院, 助教 (00802208)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中野 敏行 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (50345849)
佐藤 修 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (20377964)
音野 瑛俊 九州大学, 先端素粒子物理研究センター, 助教 (20648034)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 高エネルギーニュートリノ / タウニュートリノ / LHC / FASER / 飛跡検出器 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
国際共同実験FASERは、2019年にCERNに承認された実験であり、標準模型粒子と弱く相互作用する軽い新粒子の探索を主目的としている。研究代表者は、それとは別のテーマとして、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で生成される数100GeVから数TeVのニュートリノ反応の測定を立案し、FASERニュートリノ実験のco-Coordinator（2020年1月よりco-Project Leader）として計画を牽引してきた。360GeV以下のエネルギー領域のニュートリノ反応については従来の加速器による実験でよく研究されているが、高エネルギー領域でのニュートリノ反応断面積測定は未開拓である。現在の加速器によって生成できる最高のエネルギーである数100GeVから数TeVのニュートリノ反応を研究することは新しい試みである。本年度は、LHCにおける高エネルギーニュートリノ反応の初検出を目指して2018年にテストランとして実験地点に設置したターゲット質量30kgのエマルション検出器の解析を進めた。エマルションフィルムの読み出しを遂行し、高密度のミューオンの中でのニュートリノ反応点の探索手法を構築してきた。物理ランでは、荷電カレント反応で生じるレプトンの検出を行うことにより3世代のニュートリノの識別、背景事象の分別を行うが、テストランの検出器は小さくミューオンの同定はできないため中性ハドロン反応による背景事象が多い。粒子の角度情報など幾何学的パラメータを用いた多変数解析によるニュートリノ反応と中性ハドロン反応の識別を進め、ニュートリノ反応の検出についての結果をまとめて論文を準備している。また、研究代表者が中心となって2021-2023年のニュートリノ実験に向けた論文とプロポーザルを執筆してLHC実験審査委員会（LHCC）に提出し、2019年12月にCERNによる正式承認を得るに至った。
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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
研究代表者らが中心となり、CERNのLHCで生成される数100GeVから数TeVの高エネルギーニュートリノ反応を初測定する計画を立案し、論文にまとめた。本研究は、現在の加速器によって生成できる最高エネルギーのニュートリノ反応を測定するものであり、360GeV以下の従来の加速器実験と10TeV程度以上の宇宙ニュートリノ観測の間の、未開拓のエネルギー領域でのニュートリノ反応を研究することは実験的に重要である。3世代ニュートリノを識別して検出するため、エマルションフィルムと1mm厚のタングステン板1000層から成る検出器のコンセプトをまとめた。1.2トンの検出器を用いて150/fbの照射を実施することにより、20,000事象以上の高エネルギーニュートリノ反応を蓄積し、未開拓のエネルギー領域でのニュートリノ反応を研究できる見通しを報告した。これらを基に実験プロポーザルを執筆してLHC実験審査委員会（LHCC）に提出し、2019年12月にCERNによる正式承認を得るに至った。また、LHCにおける高エネルギーニュートリノ反応の初検出を目指して2018 年にテストランとして実験地点に設置したターゲット質量30kgのエマルション検出器の解析を進めた。エマルションフィルムの読み出しを遂行し、高密度のミューオンの中でのニュートリノ反応点の探索手法を構築してきた。ニュートリノ反応検出については結果をまとめ論文を準備している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021-2024年のニュートリノ照射実験に向けて、25cm×25cmのエマルションフィルムと1mm厚のタングステン板の積層構造からなる検出器の製作に取り組む。検出器を構成するタングステン板とエマルションの使用試験を実施し、タングステン板の購入およびその品質チェックを遂行する。それとともに、大規模エマルションフィルム製造システムを使用する準備を進める。タングステン板とエマルションフィルムを組み立てて実験地点となる加速器トンネル内に設置するための支持構造物のデザインを完成させ、製作を行う。また、物理ランに向けて、荷電カレント反応で生じるレプトンの識別手法をより詳細に研究し、解析体制を構築する。
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