次世代ニュートリノ実験における大強度ミューオンの測定

• 研究課題/領域番号: 21K03591
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 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: 大阪公立大学 (2022-2023); 大阪市立大学 (2021)
• 研究代表者: 山本 和弘 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (80303808)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2023年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円); 2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021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: 電子増倍管 / EMT / ニュートリノ / ミューオン

研究開始時の研究の概要

T2K実験では、大強度のニュートリノビームを利用してニュートリノ振動を測定し、宇宙にはなぜ反物質はなく物質しかないのかという疑問に答えようとしている。ニュートリノ振動とは、ニュートリノの飛行中にその種類が別の種類に変わる現象のことで、T2K実験では、ミュー型が電子型に変化する現象と、反ミュー型が反電子型に変化する現象の両者を測定し、その非対称性からCP対称性の破れを測定する。このCP対称性の破れが物質・反物質非対称の原因である。この測定を早期に実現するためには、大強度のミューオンを測定する高放射線耐性の検出器が必要であるため、電子増倍管という新しい検出器に着目し、その放射線耐性を測定する。

研究実績の概要

長基線ニュートリノ振動実験T2KはニュートリノのCP対称性の破れの兆候を世界で初めて見出し、現在はデータの蓄積と装置の高度化を行いつつCP対称性の破れの発見に向けて研究を進めている。クォークのCP対称性の破れだけでは現在の物質優勢宇宙を全く説明できないため、ニュートリノのCP対称性の破れの発見に期待がかかっている。その中で、大強度陽子加速器施設(J-PARC)からスーパーカミオカンデに向けてニュートリノビームを打ち出すときに、その方向をリアルタイムに監視している装置、ミューオンモニター(MUMON)がある。MUMONには49個のシリコン検出器(Si)が縦横に並べられ、パイ中間子の崩壊時にニュートリノと同時に生成されるミューオンを測定することで間接的にニュートリノの方向を監視している。しかし加速器の増強と共にミューオン強度も増加し、Siは放射線損傷により信号が低下し使用に耐えなくなってきた。そこで次期検出器として電子増倍管(EMT)が候補に挙げられ開発が進められている。EMTは小型の光電子増倍管のフォトカソードをアルミで蒸着したもので、ミューオンがダイノードに衝突して生成される電子を増幅してその強度を測定する検出器である。2021年度と2022年度に東北大学ELPHでのテスト実験により、EMTが十分な放射線耐性を持ち、J-PARCメインリング(MR)の将来強度(1.3MW)において100日間の照射に対しても数%の信号減少しか認められず、広い強度範囲においても良好な信号応答の線形性が確認された。2023年度はJ-PARCのMUMONピットにEMTを持ち込み、MUMONの中央部分に7個を水平方向に並べ、MRのビーム強度710kWでデータを収集した。Siと遜色ないプロファイルを得ることに成功しSiの後継機としての可能性を十分に示した。今後はEMTの数を増やして実用化へ進めていく。

研究成果

• [雑誌論文] First measurement of muon neutrino charged-current interactions on hydrocarbon without pions in the final state using multiple detectors with correlated energy spectra at T2K (2023)
  • 著者名/発表者名: J. Nugent et al., T2K Collaboration
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 108 号: 11 ページ: 112009-112009
  • DOI: 10.1103/physrevd.108.112009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurements of the νμ and ￣νμ-induced coherent charged pion production cross sections on C12 by the T2K experiment (2023)
  • 著者名/発表者名: Abe K.、Berns L.、et al.、T2K Collaboration
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 108 号: 9 ページ: 9-092009
  • DOI: 10.1103/physrevd.108.092009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Updated T2K measurements of muon neutrino and antineutrino disappearance using 3.6e21 protons on target (2023)
  • 著者名/発表者名: Abe K.、Berns L.、et al.、T2K Collaboration
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 108 号: 7 ページ: 7-072011
  • DOI: 10.1103/physrevd.108.072011
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurements of neutrino oscillation parameters from the T2K experiment using 3.6e21 protons on target (2023)
  • 著者名/発表者名: Abe K.、Berns L.、et al.、T2K Collaboration
  • 雑誌名: The European Physical Journal C 巻: 83 号: 9 ページ: 9-782
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-023-11819-x
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Scintillator ageing of the T2K near detectors from 2010 to 2021 (2022)
  • 著者名/発表者名: K.Abe, T.Ishida, Y.Oyama et al.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17 号: 10 ページ: P10028-P10028
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/10/p10028
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Improved constraints on neutrino mixing from the T2K experiment with 3.13×10^21 protons on target (2021)
  • 著者名/発表者名: Abe K. et. al. (T2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 号: 11 ページ: 1120081-62
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.112008
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First T2K measurement of transverse kinematic imbalance in the muon-neutrino charged-current single-π+ production channel containing at least one proton (2021)
  • 著者名/発表者名: Abe K. et. al. (T2K collaboration)
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103 号: 11 ページ: 1120091-27
  • DOI: 10.1103/physrevd.103.112009
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] T2K実験横方向ミューオン飛程検出器Wall MRDにおけるヒット時間情報較正装置の性能評価 (2024)
  • 著者名/発表者名: 山本健裕, 本條貴司, 清矢良浩, 山本和弘, 木河達也, 安留健嗣, 在原拓司, 関矢拓郎, John Nugent, 工藤悠仁, 南野彰宏, Giorgio Pintaudi, 他T2K Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] 電子増倍管によるT2K実験ビーム方向測定の実証試験 (2024)
  • 著者名/発表者名: 佐藤幸音, Megan Friend, Ian Heitkamp, 本條貴司, 市川温子, 石塚正基, 川村悠馬, 木河達也, 中平武, 中村輝石, 坂下健, 山本和弘, 他T2K Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会2024年春季大会
• [学会発表] T2Kミューオンモニターのための電子増倍管に関する研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川村悠馬, 市川温子, 石塚正基, 木河達也, 佐藤幸音, 中平武, 中村輝石, 坂下健, 清矢良浩, 本條貴司, 松原綱之, 山本和弘, 安留健嗣, Ian Heitkamp, Megan Friend, 他T2K Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会第78回年次大会
• [学会発表] T2Kミューオンモニター用電子増倍管のビームテストで用いるビームプロファイル測定用64素子Siフォトダイオードアレイの較正 (2023)
  • 著者名/発表者名: 川村悠馬, 石塚正基, 市川温子, 笠間奏平, 木河達也, 佐藤雪音, 坂下健, 清矢良浩, 瀧藤航一, 中村輝石, 本條貴司, 安留健嗣, 山本和弘, 山本達也, Ferdinand Oderich, Megan Friend
  • 学会等名: 日本物理学会2023年春季大会
• [学会発表] T2K実験次期ミューオンモニター性能評価のための遷移放射光による電子ビームプロファイル測定 (2022)
  • 著者名/発表者名: 笠間奏平, 市川温子, 瀧藤航一, 中村輝石, 川村悠馬, 清矢良浩, 本條貴司, 山本和弘, 山本達也, 石塚正基, 木河達也, 安留健嗣, 松原綱之, Megan Friend, 中平武, 他T2K Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会2022年秋季大会
• [学会発表] J-PARCニュートリノビーム大強度化に対応するミューオンモニターの開発 (2022)
  • 著者名/発表者名: 本條貴司, 市川温子, 石塚正基, 笠間奏平, 木河達也, 松原綱之, Megan Friend, 中平武, 中村輝石, 中村妃南, 清矢良浩, 瀧藤航一, 安留健嗣, 山本和弘, 山本達也
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] T2K実験ミューオンモニターに用いる電子増倍管の電子ビーム試験による初期不安定性及び放射線耐性の評価 (2022)
  • 著者名/発表者名: 山本達也, 石塚正基, 市川温子, 笠間奏平, 木河達也, 清矢良浩, 瀧藤航一, 中村輝石, 中村妃南, 中平武, 本條貴司, 松原綱之, Megan Friend, 安留健嗣, 山本和弘
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] T2K実験ミューオンモニターのための電子増倍管の温度依存性及び放射線損傷の検証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 瀧藤航一, 市川温子, 中村輝石, 笠間奏平, 本條貴司, 中村妃南, 山本達也, 安留健嗣, 石塚正基, 木河達也, 松原綱之, Megan Friend, 清矢良浩, 山本和弘, 中平武, 他T2K Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] T2K実験ビーム運転におけるCTを用いたミューオンモニターの実証試験 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村妃南, 石塚正基, 市川温子, 瀧藤航一, 中村輝石, 木河達也, 安留健嗣, 清矢良浩, 本條貴司, 山本和弘, 山本達也, 中平武, 松原綱之, Megan Friend, 他T2K Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会第77回年次大会
• [学会発表] CTを用いたT2K実験ミューオンモニター試作機による正負を識別したミューオンの初観測 (2021)
  • 著者名/発表者名: 中村妃南, 石塚正基, 市川温子, 中村輝石, 木河達也, 安留健嗣, 清矢良浩, 本條貴司, 山本和弘, 中平武, 松原綱之, Megan Friend, 他T2K Collaboration
  • 学会等名: 日本物理学会2021年秋季大会