K2K実験におけるニュートリノ振動の精密測定

• 研究課題/領域番号: 13852002
• 研究種目: 基盤研究(S)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 西川 公一郎 京都大学, 大学院・理学研究科, 教授 (60198439)
• 研究分担者: 中家 剛 京都大学, 大学院・理学研究科, 助教授 (50314175) ; 横山 将志 京都大学, 大学院・理学研究科, 助手 (90362441) ; 小林 隆 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 助教授 (70291317)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2005
• 研究課題ステータス: 完了 (2005年度)
• 配分額: 126,880千円 (直接経費: 97,600千円、間接経費: 29,280千円); 2005年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2004年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円); 2003年度: 28,860千円 (直接経費: 22,200千円、間接経費: 6,660千円); 2002年度: 60,710千円 (直接経費: 46,700千円、間接経費: 14,010千円); 2001年度: 23,400千円 (直接経費: 18,000千円、間接経費: 5,400千円)
• キーワード: ニュートリノ / ニュートリノ質量 / ニュートリノ振動 / 加速器 / フレーバー物理 / 測定器 / ニュートリノ反応 / フレーバー混合 / 素粒子 / フレーバー / パイ中間子 / ミューオン / 陽子 / シンチレーター

研究概要

本研究では、加速器で生成したニュートリノビームを使って世界で初めてニュートリノ振動現象を確認した。1999年から2004年にかけて収集した92E18陽子/標的の全データを使い、スーパーカミオカンデで112加速器ニュートリノ事象を観測した。ニュートリノ振動無しの予測は158.4事象で、3σの優位度でニュートリノ振動によるミューオンニュートリノ消失を確認した。そして新たに設置した前置検出器、SciBarを使ってニュートリノ反応過程を詳細に研究し、ニュートリノエネルギースペクトルの精密測定を行なった。KEKでのニュートリノスペクトルと神岡でのスペクトルを比較し、ニュートリノ振動によるSKでのニュートリノのエネルギースペクトルの変化を確認した。ニュートリノ振動解析を行いニュートリノ振動無しの仮定を99.998%(4.3σ)で却下し、スーパーカミオカンデで発見されたニュートリノ振動を追試することに成功した。また同時に、ニュートリノ混合角sin^22θ=1.0で、ニュートリノ質量の二乗差を90%CLで(1.9〜3.5)×10^<-3>eV^2と世界最高レベルの精度で測定した。またこの結果には、我々がCERNで行なったハドロン生成測定実験(HARP実験)の最新結果も含めており、KEKから神岡へのニュートリノフラックスの外挿の精度を格段に向上させている。また、SciBar検出器では、ニュートリノによる荷電カレントコヒーレントπ生成反応が予想に反して格段に小さいことも発見した。最後にミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動のシグナル、電子ニュートリノ出現事象を探索し、その感度を向上させsin^22θ_<μe><0.13@Δm^2=2.8×10^<-3>eV^2と上限値を設定した。

研究成果

• [雑誌論文] Improved Search for v_μ → v_e Oscillation in a Long-Baseline Accelerator Experiment (2006)
  • 著者名/発表者名: S.Yamamoto, K.Nishikawa et al.(by K2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 96 ページ: 181801-181801
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Measurement of the production cross-section of positive pious in p-Al collisions at 12.9 Gev/c (2006)
  • 著者名/発表者名: M.G.Catanesi, K.Nishikawa et al.(by HARP Collaboration )
  • 雑誌名: Nuclear Physics B 732 ページ: 1-45
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Measurement of the production cross-section of positive pions in p-A1 collisions at 12.9 Gev/c (2006)
  • 著者名/発表者名: M.G.Catanesi, K.Nishikawa et al.(by HARP Collaboration)
  • 雑誌名: Nuclear Physics B 732 ページ: 1-45
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Measurement of the production cross-section of positive pions in n-Al collisions at 12.9 Gev/c (2006)
  • 著者名/発表者名: M.G.Catanesi, K.Nishikawa et al.(by HARP Collaboration )
  • 雑誌名: Nuclear Physics B 732 ページ: 1-45
• [雑誌論文] Serach for coherent charged pion production in neutrino-carbon interactions (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Hasegawa, K.Nishikawa et al.(by K2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 95 ページ: 252301-252301
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Evidence for muon neutrino oscillation in accelerator-based experiment (2005)
  • 著者名/発表者名: E.Aliu, K.Nishikawa et al.(by K2K Collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 94 ページ: 81802-81802
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Search for coherent charged pion production in neutrino-carbon interactions (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Hasegawa, K.Nishikawa et al.(by K2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review letters 95 ページ: 252301-252301
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Search for coherent charged pion production in neutrino-carbon interactions (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Hasegawa, K.Nishikawa et al.(by K2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 65 ページ: 252301-252301
• [雑誌論文] A measurement of atmospheric neutrino oscillation parameters by Super-Kamiokande I (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Ashie, T.Nakaya et al.(by Super-Kamiokande Collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review D 71 ページ: 112005-112005
• [雑誌論文] Evidence for Muon Neutrino Oscillation in an Accelerator-Based Experiment (2005)
  • 著者名/発表者名: E.Aliu, et al.
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 94 ページ: 81802-81802
• [雑誌論文] Search for Electron Neutrino Appearance in a 250 km long baseline experiment (2004)
  • 著者名/発表者名: M.H.Ahn, K.Nishikawa et al.(by K2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 93 ページ: 51801-51801
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] The K2K SciBar detector (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Nitta, et al.
  • 雑誌名: Nucl.Intrum.Meth. A535 ページ: 147-151
• [雑誌論文] Search for Electron Neutrino Appearance in a 250 km Long-Baseline Experiment (2004)
  • 著者名/発表者名: M.H.Ahn, et al.
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 93 ページ: 51801-51801
• [雑誌論文] K2K AND A NEXT GENERATION NEUTRINO OSCILLATION EXPERIMENT (2004)
  • 著者名/発表者名: K.Nishikawa
  • 雑誌名: Nucl.Phys.Proc.Suppl. 137 ページ: 28-45
• [雑誌論文] Indications of neutrino oscillation in a 250 km long baseline experiment (2003)
  • 著者名/発表者名: M.H.Ahn, K.Nishikawa et al.(by K2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review Letters 90 ページ: 41801-41801
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Indications of Neutrino Oscillation in a 250 km Long-Baseline Experiment (2003)
  • 著者名/発表者名: M.H.Ahn, et al.
  • 雑誌名: Phys.Rev.Lett. 90 ページ: 41801-41801
• [雑誌論文] RESULTS FROM K2K (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Nishikawa
  • 雑誌名: Nucl.Phys.Proc.Suppl. 118 ページ: 129-137
• [文献書誌] M.H.Ahn, et al.: "Indications of neutrino oscillation in a 250km long baseline experiment"Phys.Rev.Lett.. 90. 041801 (2003)
• [文献書誌] T.Nakaya: "Future Experiments with Super neutrino beams"Nucl.Phys.Proc.Suppl.. 118. 210-219 (2003)
• [文献書誌] K.Nishikawa: "Results from K2K"Nucl.Phys.Proc.Suppl.. 118. 129-137 (2003)
• [文献書誌] Y.Fukuda, et al.: "The Super-Kamiokande Detector"Nucl.Instrum.Meth.. A501. 418-462 (2003)
• [文献書誌] B.J.Kim, et al.: "Tracking Performance of the scintillating fiber detector in the K2K experiment"Nucl.Instrum, Meth.. A497. 450-466 (2003)
• [文献書誌] T.Ishii, et al.: "Near muon range detector for the K2K experiment : Construction and Performance"Nucl.Instrum.Meth.. A482. 244-253 (2002)
• [文献書誌] M.H.Ahn et al.: "Indication of neutrino oscillation in a 250km long baseline experiment"Physical Review Letters. 90・4. 041801-1-041801-5 (2003)
• [文献書誌] M.Malek et al.: "Search for Supernova Relic neutrinos at Super-Kamiokande"Physical Review Letters. 90・6. 061101-1-061101-5 (2003)
• [文献書誌] B.J.Kim et al.: "Tracking Performance of the Scintillating Fiber detector in the K2K experiment"Nuclear Instruments and Methods. A497. 450-466 (2003)
• [文献書誌] S.Fukuda et al.: "Determination of Solar neutrino oscillation parameters using 1496 days of Super-Kamiokande data"Physics Letters. B539. 179-187 (2002)
• [文献書誌] S.Fukuda et al.: "Search for neutrinos from Gamma-ray burst using Super-kamiokande"Astrophysical Journal. 578. 317-324 (2002)
• [文献書誌] T.Ishii et al.: "Near muon range detector for the K2K experiment : construction and performance"Nuclear Instruments and Methods. A482. 244-253 (2002)
• [文献書誌] S.H.Ahn, K.Nishikawa et al.: "Detection of accelerator-produced neutrinos at a distance of 250km"Physics Letters. B511. 178-184 (2001)
• [文献書誌] T.Ishii, K.Nishikawa et al.: "Near Muon Range Detector for the K2K experiment"To be appeared I Nuclear Instrument and Methods.
• [文献書誌] S.Fukuda, K.Nishikawa et al.: "Solar 8B hep Neutrino Measurements from 1258 Days of Super-Kamiokande Data"Physical Review Letters. 86. 5651-5656 (2001)
• [文献書誌] S.Fukuda, K.Nishikawa et al.: "Constraints on Neutrino Oscillation Using 1258 Days of Super-Kamiokande Solar Neutrino Data"Physical Review Letters. 86. 5656-5660 (2001)