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KOTO実験を利用したinvisible粒子の探索

研究課題

研究課題/領域番号 17J02178
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理(実験)
研究機関大阪大学

研究代表者

清水 信宏  大阪大学, 理学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2019年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2018年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2017年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
キーワード新物理探索 / K中間子 / ダークフォトン / 中性子識別 / カロリメータ / 素粒子物理学 / KOTO
研究実績の概要

本研究は,中性中間子であるπ0の崩壊を通じた検出器で直接観測できない粒子の探索を目的としている。その候補の一つであるダークフォトン(A')はπ0→γγ崩壊によって作られた光子とミキシングを起こす(γ→A')。消失した光子と対になる光子とπ0の運動量から,間接的にその存在を検証することが可能である。本研究では,π0中間子を大量に生成することが可能なKL→3π0崩壊を利用した。
A'の実験的測定は、観測可能な5つのγのヒット位置、エネルギーを測定することで行う。2019年度にかけ、A'の探索感度の向上のための研究を行ったが、結果的にその存在に対して優位に強い制限を与えることが難しいことがわかった。KL→3π0崩壊によって生成された、π0→2γが、検出器の中で不感になってしまうと、原理的に質量のない A'と同等な分布を作るためである。不感率を深く理解できていれば、その寄与を引くことにより、感度を向上させることも期待できたがシミュレーションによる方法以外に、それを保証する方法がなく、断念した。
一方、少し方向性を変え、KL→π0γという崩壊を探索した。この崩壊の特筆すべき点は, 角運動量を保存しない過程であるということである。KLとπ0は角運動量を持たない性質を持っているため,γの偏極が持つ角運動量を生成できない。ローレンツ不変性を破る崩壊であり, 未知の物理に対して感度をもつ。blind法を利用して事象選別の手法を決め, 信号領域の中の事象を調べた。信号事象の候補となる事象は発見されずKLがπ0γに崩壊する割合の上限値として<1.7×10^-7を90%の信頼水準で与えた。
γ→A'の探索は、検出器の不感率の理解が原理的に難しいために、優位な感度向上をするに至らなかったが、γ→A'崩壊の探索の過程で得た知見や、検出器の開発によって、多くの物理的成果を達成することができた。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2019 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 5件、 招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Upgrade of the Cesium Iodide Calorimeter for the KOTO Experiment2019

    • 著者名/発表者名
      Shimizu Nobuhiro
    • 雑誌名

      JPS Conf.Proc.

      巻: 27 ページ: 011004-011009

    • DOI

      10.7566/jpscp.27.011004

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Search for KL→π0νν-bar and KL→π0X0 Decays at the J-PARC KOTO Experiment2019

    • 著者名/発表者名
      J. K. Ahn et al. (KOTO Collaboration)
    • 雑誌名

      Physical Review Letters

      巻: 122 号: 2 ページ: 021802-021802

    • DOI

      10.1103/physrevlett.122.021802

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Measurement of the tau Michel parameters ηbar and ξκ in the radiative leptonic decay τ-→l-ννγ2018

    • 著者名/発表者名
      N Shimizu, H Aihara, D Epifanov, et. al.
    • 雑誌名

      Progress of Theoretical and Experimental Physics

      巻: 2 号: 2 ページ: 1-1

    • DOI

      10.1093/ptep/pty003

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] The upgrade of the KOTO Cesium Iodide calorimeter for the separation of γ and n2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Shimizu
    • 学会等名
      J-PARC symposium 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Search for the K_L→π^0 γ decay in the KOTO experiment2019

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Shimizu
    • 学会等名
      KAON 2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Upgrade of the CsI calorimeter for the KOTO experiment2018

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Shimizu
    • 学会等名
      CALOR 2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Upgrade of the CsI calorimeter for the KOTO experiment2018

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Shimizu
    • 学会等名
      PD2018
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] KL→π0γ 崩壊を通じた新物理探索2018

    • 著者名/発表者名
      清水信宏
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] KOTO実験を利用したインビジブル粒子の探索2018

    • 著者名/発表者名
      清水信宏
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] KOTO実験におけるCsI電磁カロリメータ アップグレードのためのMPPC検査システムの開発2017

    • 著者名/発表者名
      清水信宏
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] Measurement of tau Michel parameters2017

    • 著者名/発表者名
      Nobuhiro Shimizu
    • 学会等名
      Flavor Physics & CP Violation 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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