2020 Fiscal Year Annual Research Report
ニュートリノ混合角の精密測定による新しいレプトンセクター対称性の探索
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20J20304
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
小田川 高大 京都大学, 理学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | ニュートリノ / 原子核乾板 / J-PARC |
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| Outline of Annual Research Achievements |
長基線ニュートリノ振動実験であるT2K実験においては，ニュートリノと原子核との反応の不定性が系統誤差の要因となっている．本研究では水標的原子核乾板検出器を用いたニュートリノ反応精密測定であるNINJA実験によってこの不定性を削減し，ニュートリノ振動の精密測定を通じて新物理探索を行うことを目指している．
当該年度は，2019年度に行われたNINJA実験の測定データの解析を進めた．原子核乾板は時間情報を持たない検出器であり，原子核乾板中の飛跡と下流のミューオン検出器中の飛跡とを接続するためには，位置分解能が高く時間情報も持った検出器が必要となる．そのため，これらの間にはシンチレーショントラッカーとエマルションシフターという2つの飛跡接続用の検出器が設置されている．これらの検出器の解析を進め，NINJA実験における複数の検出器間での飛跡の接続を行った．暫定版の解析アルゴリズムを用いて少統計の解析を実行した結果，原子核乾板検出器中での複数のニュートリノ-水反応候補を検出することに成功した．また，各検出器はそれぞれ異なる特性・形式のデータを持っているが，今回構築されたフローによってそれらのデータを組み合わせたスムーズな解析が可能となった．
共同で解析を行っているT2K-WAGASCI/Baby MINDグループとともに，モンテカルロシミュレーションの構築も行った．シンチレーショントラッカーや原子核乾板の応答をシミュレーションに組み込むことで，共同解析を可能とした．
さらに，当該年度末から新たに水の代わりに重水を標的とすることで，ニュートリノと重水中の重水素との反応の測定を目指すテスト実験も開始した．このテスト実験においては2019年度の測定時と同様の検出器が用いられる．ニュートリノビームは来年度はじめまで照射される予定であり，その後開発したソフトウェアをもちいて解析を進める．
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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
年度当初より解析を開始し，まずは予定通り下流のミューオン検出器とシンチレーショントラッカーを用いた位置・角度再構成および飛跡接続のアルゴリズムの開発を行った．この際，NINJA実験独自のデータ構造をもちいて解析を始めた．しかし，共同で解析を進めているT2K-WAGASCI/Baby MIND検出器においてソフトウェアの大幅な刷新が行われた．本研究ではミューオン検出器としてBaby MIND検出器を用いているため，これに伴ってNINJA実験でもソフトウェアの改変を行った．この変更に想定より時間がかかってしまったが，一方で今後のNINJA実験とWAGASCI/Baby MINDとの共同解析にむけた統合フレームワークの構築，モンテカルロシミュレーションの高度化・精緻化を行うことができた．現在はすでに改良後のソフトウェアを用いて解析を進めており，本年度の目標は概ね達成できている．
また，開発したソフトウェアを用いて下流のミューオン検出器から上流の原子核乾板検出器までを統合した飛跡の接続を行った．この結果，複数のニュートリノ-水反応事象の候補の検出に成功した．原子核乾板のスキャン等が進み統計量が増加すれば，この解析方法を用いて大統計のニュートリノ反応測定が可能であり，順調にニュートリノ反応測定にむけて解析を進められている．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまずシンチレーショントラッカーおよびエマルションシフターを用いた飛跡の接続効率や誤接続確率，位置・角度再構成精度などの性能を評価する．ミューオンニュートリノの荷電カレント反応解析においてはこれらの値がインプットとして必要となるため，性能を評価し理解する．
また，原子核乾板検出器内の詳細な解析をもとに，ニュートリノ反応由来の二次粒子，とくに低運動量の陽子や荷電パイ粒子の解析を並行して進める．
開発したモンテカルロシミュレーションを用いてミューオンや陽子，荷電パイ粒子の運動測定のアルゴリズムの開発を行う．特に運動量については，ミューオン検出器における飛程や曲率，原子核乾板検出器での飛程，多重散乱などの複数の測定手法が存在する．これらはそれぞれ適用可能な運動量の範囲や測定精度が異なるため，これらを組み合わせた運動量測定手法を開発し，最適化を行う．
角度についても原子核乾板の高い細分性を用いて反応点直下の角度測定を行うことで，他の実験では実現できない高精度での測定を行う．
以上の結果をまとめ，学術論文として出版するとともに，いまだ不定性の大きいニュートリノ反応のモデルについて新たな制限を与える．
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