加速器によるタウニュートリノ出現モードを用いたνμ→ντニュートリノ振動解析

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25707019
• Research Institution: Toho University
• Principal Investigator: 福田 努 東邦大学, 理学部, 博士研究員 (10444390)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 原子核乾板 / ニュートリノ振動 / Appearance / CERN / OPERA実験 / 加速器 / タウニュートリノ / 素粒子実験

Outline of Annual Research Achievements

OPERA実験は、CERNの加速器SPSを用いて作ったミューニュートリノ（νμ）ビームを730km 離れたイタリア・グランサッソ研究所に照射し、サブミクロンの位置分解能を持つ原子核乾板検出器でタウニュートリノ（ντ）の出現の有無を調べ、ニュートリノ振動現象を検証する長基線加速器ニュートリノ振動実験である。

我々はこれまでの解析で４例のタウニュートリノ反応事象を検出し、4.24σ（99.999%）の信頼度でニュートリノ振動現象を直接観測した。また、世界で初めてタウニュートリノ出現によるニュートリノ振動確率を測定し、Δm23^2＝3.1 x 10^-3 eV^2（1.8-5.0 x 10^-3 ＠90%CL）との値を得た。これらの成果をまとめ、学術論文として投稿した（Prog. Theor. Exp. Phys. 2014, 101C01）。

現在、引き続きタウニュートリノ反応探索を進めつつ、ニュートリノ振動確率の測定精度向上に向けてバックグラウンド推定の精緻化研究を推進している。また、本研究のために開発した原子核乾板解析技術を応用し、低エネルギーニュートリノ反応の詳細研究を目的とした新しいニュートリノ実験計画を提案し、J-PARCにてfeasibility studyのためのニュートリノ照射実験を実施した（J-PARC T60実験）。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

OPERAの標準的なタウニュートリノ反応探索はまもなく完了する。集積した全ニュートリノ反応をデータセットにしたタウニュートリノ出現によるニュートリノ振動確率の測定を始める。振動確率の測定精度向上に欠かせない、ντ反応の主要な背景事象となるハドロン反応の詳細研究も順調に進んでおり、新しいタウニュートリノ反応選別条件におけるバックグラウンド量の推定も行っている。

また、本研究を進める中で開発した新規技術の応用研究として原子核乾板を主検出器とする新しいニュートリノ実験計画を提案し、本研究者が実験代表者としてJ-PARC PACにプロポーザルを提出、承認され、実際にテスト実験を実施した。

Strategy for Future Research Activity

現在進行中のハドロン反応の詳細解析を推進し、タウニュートリノ反応の選別条件を広げた新しいセレクションにおける高精度なバックグラウンド推定を行う。また、本研究は従来の入射νμ消失型のニュートリノ振動解析と組み合わせて行うことでステライルニュートリノ存在の検証といった新しい解析ができる可能性があるため、そういった方向性も視野に入れて研究を進める。

また、新たに提案した低エネルギーニュートリノ反応の詳細研究は将来のニュートリノ研究にとって重要な知見をもたらし得る為、精力的に推進する。

Causes of Carryover

当初計画していた海外での共同研究者との研究打ち合わせが次年度になったため

Expenditure Plan for Carryover Budget

海外の共同研究者との研究打ち合わせ及び成果発表のための旅費。本研究課題を効率的に遂行するために研究協力者1名を雇用し、原子核乾板のスキャン・解析補助等の関連する業務をして貰う。

Research Products

• [Journal Article] Automatic track recognition of large angle minimum ionizing particles in nuclear emulsions (2014)
  • Author(s): T. Fukuda, S. Fukunaga, H. Ishida, T. Matsumoto, T. Matsuo, S. Mikado, S. Nishimura, S. Ogawa, H. Shibuya, J. Sudou, A. Ariga and S. Tufanli
  • Journal Title: JINST Volume: 9 Pages: P12017
  • DOI: 10.1088/1748-0221/9/12/P12017
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Observation of tau neutrino appearance in the CNGS beam with the OPERA experiment (2014)
  • Author(s): T. Fukuda et al. (OPERA Collaboration 147名連名)
  • Journal Title: Prog. Theor. Exp. Phys. Volume: 2014 Pages: 101C01
  • DOI: 10.1093/ptep/ptu132
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Study of hadron interactions in a lead-emulsion target (2014)
  • Author(s): H. Ishida, T. Fukuda, T. Kajiwara, K. Kodama, M. Komatsu, T. Matsuo, S. Mikado, M. Nakamura, S. Ogawa, A. Sheshukov, H. Shibuya, J. Sudou, T. Suzuki and Y. Tsuchida
  • Journal Title: Prog. Theor. Exp. Phys. Volume: 2014 Pages: 093C01
  • DOI: 10.1093/ptep/ptu119
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Procedure for short-lived particle detection in the OPERA experiment and its application to charm decays (2014)
  • Author(s): T. Fukuda et al. (OPERA Collaboration 138名連名)
  • Journal Title: Eur. Phys. J. C Volume: 74 Pages: 2986
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-014-2986-0
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Presentation] J-PARC T60実験：J-PARCでの原子核乾板を用いたニュートリノビーム照射実験 (2015)
  • Author(s): 福田努 他T60実験共同研究者
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-22
• [Presentation] J-PARC T60実験で使用した原子核乾板の性能評価 (2015)
  • Author(s): 森元祐介, 福田努 他T60実験共同研究者
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-22
• [Presentation] OPERA実験におけるタウ崩壊のバックグラウンドとなるハドロン反応の研究 (2015)
  • Author(s): 西村秋哉, 福田努 他OPERA Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会第70回年次大会
  • Place of Presentation: 早稲田大学早稲田キャンパス（東京都新宿区）
  • Year and Date: 2015-03-22
• [Presentation] 原子核乾板によるニュートリノ研究 (2015)
  • Author(s): 福田努
  • Organizer: 21th ICEPPシンポジウム
  • Place of Presentation: 岳美山荘(長野県北安曇郡)
  • Year and Date: 2015-02-10
• [Presentation] Neutrino experiments with nuclear emulsion at J-PARC (2014)
  • Author(s): Tsutomu Fukuda et al (T60 group)
  • Organizer: 新学術領域研究「ニュートリノフロンティアの融合」研究会2014
  • Place of Presentation: 富士Calm(山梨県富士吉田市新屋)
  • Year and Date: 2014-12-22
• [Presentation] J-PARCにおける原子核乾板を用いたニュートリノ実験 (2014)
  • Author(s): 福田努 他T60実験共同研究者
  • Organizer: 画像関連学会連合会 第一回秋季合同大会
  • Place of Presentation: 京都工芸繊維大学(京都府京都市)
  • Year and Date: 2014-11-21
• [Presentation] OPERA実験における大角度飛跡自動認識によるタウニュートリノ反応の詳細解析 (2014)
  • Author(s): 福田努 他OPERA Collaboration
  • Organizer: 日本物理学会2014年秋季大会
  • Place of Presentation: 佐賀大学本庄キャンパス（佐賀県佐賀市）
  • Year and Date: 2014-09-19
• [Presentation] Large Angle Tracking and High Discriminating Tracking in Nuclear Emulsion (poster) (2014)
  • Author(s): T. Matsuo, T. Fukuda, S. Mikado, S. Ogawa, H. Shibuya
  • Organizer: 26th International Conference on Nuclear Tracks in Solids (ICNTS26)
  • Place of Presentation: 神戸大学統合研究拠点コンベンションホール（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2014-09-16 – 2014-09-17
• [Presentation] New Experimental Project for Study of Neutrino with Nuclear Emulsion Detector at J-PARC (2014)
  • Author(s): T. Fukuda et al (T60 group)
  • Organizer: 26th International Conference on Nuclear Tracks in Solids (ICNTS26)
  • Place of Presentation: 神戸大学統合研究拠点コンベンションホール（兵庫県神戸市）
  • Year and Date: 2014-09-15
• [Presentation] 原子核写真乾板における自動飛跡認識技術の高度化研究 (2014)
  • Author(s): 福田努
  • Organizer: 2014年度日本写真学会年次大会（ 進歩賞受賞講演 ）
  • Place of Presentation: 千葉大学（千葉県千葉市）
  • Year and Date: 2014-05-26
  • Invited