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荷電レプトンフレーバーを破るミューオン稀崩壊現象の探索による新物理理論の検証

研究課題

研究課題/領域番号 19J21730
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
審査区分 小区分15020:素粒子、原子核、宇宙線および宇宙物理に関連する実験
研究機関東京大学

研究代表者

小林 暁  東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2019-04-25 – 2022-03-31
研究課題ステータス 完了 (2021年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2021年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2020年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2019年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード素粒子物理実験 / ミューオン / ガンマ線 / 液体キセノン / 荷電レプトンフレーバー / 放射線耐性 / シリコン半導体光検出器 / 荷電レプトンフレーバー保存の破れ
研究開始時の研究の概要

現在の素粒子物理学の枠組みである標準理論は、多くの実験結果を正確に予測する一方でいくつかの現象は説明することができず、より進んだ物理理論の構築が望まれている。
いくつかの有望な新物理理論は、素粒子の一つミューオンが稀に陽電子(電子の反粒子)とガンマ線のペアに崩壊する新現象(μ→eγ崩壊)が検出できると予測している。
この新現象を人類未踏の感度で探索するべく、国際共同MEG II実験がスイス・ポールシェラー研究所で準備されている。
本研究では、特に液体キセノンを用いたガンマ線の精密測定を通してMEG II実験に貢献し、未踏の感度での新物理探索を行うことで、新物理理論の辿るべき道筋を明らかにする。

研究実績の概要

素粒子物理実験領域では、素粒子の相互作用を説明する理論である標準理論を超える理論的枠組みの模索が行われている。特に、荷電レプトンフレーバー保存の破れ(cLFV)はいくつか提案されている新物理の枠組みで観測可能であり、その発見に大きな期待が寄せられている。
MEG II実験はcLFV過程の1つであるμ→eγ崩壊を前身のMEG実験に比べ10倍の感度で探索する実験であるが、それに必要な高精度なガンマ線検出のために液体キセノンとそのシンチレーション光を検出する光センサーを使用する。
2021年度は全ての検出器とその読み出し回路が揃い、物理データ取得に向けた最終準備を行った。まず新しく導入された読み出し回路のノイズ状況を調べ、ガンマ線測定に問題がないレベルであることを確かめた。その上で、光センサーを全数読み出して性能評価を行い、ビーム環境下での性能モニターの準備を整えた。ビームタイムが始まってからはμ→eγ崩壊データの取得に必要なガンマ線のエネルギー・時間・位置情報の再構成を通して物理データ取得のためのトリガーの開発に貢献した。
9月後半からはμ→eγ崩壊の探索を開始した。大強度ミューオンビーム環境下で物理データを取得するにあたり問題となったのは、大きなデータ量とガンマ線のエネルギー再構成における大きな非一様性であった。そこで、取得したデータのうちガンマ線再構成に影響しない冗長な部分を削減したほか、エネルギーの一様性を回復するアルゴリズムを開発したことで、大強度ミューオンビーム下での高効率な物理データ取得に成功した。
12月にはパイオンビームを使用したガンマ線のエネルギー・時間分解能の測定を行い、検出器全体での分解能を測定した。以上のように、2021年度はMEG II実験最初の物理データ取得に漕ぎ着け、その解析に必要なガンマ線分解能を測定することに成功した。

現在までの達成度 (段落)

令和3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3年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 2019 実績報告書
  • 研究成果

    (26件)

すべて 2022 2021 2020 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (12件) 雑誌論文 (6件) (うち国際共著 6件、 査読あり 6件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件)

  • [国際共同研究] Paul Scherrer Institut(スイス)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] INFN(イタリア)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] University of California Irvine(米国)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] JINR(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [国際共同研究] Paul Scherrer Institut(スイス)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] INFN(イタリア)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] University of California Irvine(米国)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] JINR(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [国際共同研究] ポールシェラー研究所/スイス連邦工科大学チューリヒ校(スイス)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] INFN(イタリア)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] University of California, Irvine(米国)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [国際共同研究] JINR, Dubna(ロシア連邦)

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [雑誌論文] Towards a New μ→eγ Search with the MEG II Experiment: From Design to Commissioning2021

    • 著者名/発表者名
      Marco Chiappini, Marco Francesconi, Satoru Kobayashi, Manuel Meucci, Rina Onda, Patrick Schwendimann, on behalf of the MEG II Collaboration
    • 雑誌名

      Universe

      巻: 7 号: 12 ページ: 466-466

    • DOI

      10.3390/universe7120466

    • 関連する報告書
      2021 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] The Search for μ+ → e+γ with 10^-14 Sensitivity: The Upgrade of the MEG Experiment2021

    • 著者名/発表者名
      A. Baldini, T. Iwamoto, T. Mori, Y. Uchiyama et al.
    • 雑誌名

      Symmetry

      巻: 13 (9) 号: 9 ページ: 1591-1591

    • DOI

      10.3390/sym13091591

    • 関連する報告書
      2021 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] Large-area MPPC with enhanced VUV sensitivity for liquid xenon scintillation detector2019

    • 著者名/発表者名
      Ieki K.、Iwamoto T.、Kaneko D.、Kobayashi S.、Matsuzawa N.、Mori T.、Ogawa S.、Onda R.、Ootani W.、Sawada R.、Sato K.、Yamada R.
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment

      巻: 925 ページ: 148-155

    • DOI

      10.1016/j.nima.2019.02.010

    • 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] Commissioning of liquid Xe detector with VUV-MPPC readout for MEG II experiment2019

    • 著者名/発表者名
      OGAWA Shinji、Francesconi M.、Galli L.、Ieki K.、Iwamoto T.、R.Kettle P、Kobayashi S.、Libeiro T.、Matsuzawa N.、Mihara S.、Molzon W.、Mori T.、Nishiguchi H.、Onda R.、Ootani W.、Papa A.、Ritt S.
    • 雑誌名

      Proceedings of Science

      巻: 340 ページ: 591-591

    • DOI

      10.22323/1.340.0591

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Precise measurement of 3D-position of SiPMs in the liquid xenon gamma-ray detector for the MEG II experiment2018

    • 著者名/発表者名
      S. Kobayashi, et al.
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A

      巻: - ページ: 189-191

    • DOI

      10.1016/j.nima.2018.10.170

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Optimal Design of Plastic Scintillator Counter with Multiple SiPM Readouts for Best Time Resolution2018

    • 著者名/発表者名
      R. Onda, et al.
    • 雑誌名

      Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A

      巻: - ページ: 563-564

    • DOI

      10.1016/j.nima.2018.10.070

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] MEG II 実験 2021年物理ランに関する報告 ―ガンマ線測定の現状と課題―2022

    • 著者名/発表者名
      小林 暁、他MEG IIコラボレーション
    • 学会等名
      日本物理学会第77回年次大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] MEG II実験液体キセノンガンマ線検出器の全チャンネル読み出しでの性能評価2021

    • 著者名/発表者名
      小林 暁、他MEG IIコラボレーション
    • 学会等名
      日本物理学会2021年秋季大会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Status and Prospects of MEG II experiment2021

    • 著者名/発表者名
      Satoru Kobayashi
    • 学会等名
      Flavor Physics Workshop 2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] パイ粒子の反応由来の単色ガンマ線を用いた MEG II 実験液体キセノンガンマ線検出器のエネルギー分解能評価2021

    • 著者名/発表者名
      小林暁、他MEG II collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会第76回年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] MEG II 実験液体キセノンガンマ線検出器の位置分解能およびその位置依存性の評価2020

    • 著者名/発表者名
      小林暁、他MEG II collaboration
    • 学会等名
      日本物理学会2020年秋季大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] MEG II実験液体キセノンガンマ線検出器におけるMPPCの大強度ミューオンビーム環境下での光子検出効率低下率測定2020

    • 著者名/発表者名
      小林 暁
    • 学会等名
      日本物理学会第75回年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] MEG II実験液体キセノン検出器における較正用アルファ線源を用いた光センサーの光子検出効率の較正2019

    • 著者名/発表者名
      小林 暁
    • 学会等名
      日本物理学会2019年秋季大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Calibration of VUV-sensitive MPPCs of MEG II Liquid Xenon Gamma-ray Detector2019

    • 著者名/発表者名
      Satoru Kobayashi
    • 学会等名
      Physics of fundamental Symmetries and Interactions - PSI2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会

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公開日: 2019-05-29   更新日: 2024-03-26  

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