| 研究領域 | ニュートリノフロンティアの融合と進化 |
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| 研究課題/領域番号 |
25105002
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
中家 剛 京都大学, 理学研究科, 教授 (50314175)
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| 研究分担者 |
中平 武 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, 准教授 (30378575)
市川 温子 京都大学, 理学研究科, 准教授 (50353371)
小関 忠 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (70225449)
清矢 良浩 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (80251031)
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| 研究期間 (年度) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| キーワード | ニュートリノ / 加速器 / 素粒子実験 / 粒子計測 |
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| 研究実績の概要 |
ニュートリノにおけるCP対称性の研究に向け、(1)陽子加速器J-PARCとT2Kニュートリノビームの大強度化に向けた開発、(2)ニュートリノ振動の感度向上のための系統誤差の改善、そして(3)ニュートリノ振動パラメータの精密測定、を進めてきた。平成28年度は、技術的理由で水標的新型ニュートリノ測定器の製作が遅れ研究費の一部を翌年度に繰り越したが、技術的問題は既に解決し、平成29年7月に無事に測定器を作製、9月に設置しビームデータの取得に成功した。
研究全体の成果としては、(1)加速器とニュートリノビームラインは450kW超えの大強度運転を実現し、反ニュートリノビームを生成した。特に、加速器とビームラインが安定に稼働し、高い効率（90%）でデータ収集を遂行した。 (2) ニュートリノ振動の感度向上のために、各種の系統誤差の改善を進めた。ビーム起因の系統誤差は3%のレベルに、ニュートリノ反応起因の系統誤差は5%レベルに、検出器起源の系統誤差は3%のレベルに改善した。その結果、(3) ニュートリノと反ニュートリノ、電子ニュートリノとミューオンニュートリノの4サンプルの同時解析を行うことで、ニュートリノ振動パラメータを世界最高精度で決定した。もっとも興味あるCPの破れのパラメータ（δCP）に関しては、CPの破れを90%の有意度で検出することに成功した。ニュートリノでCP対称性が破れている兆候を捕まえたのは世界初であり、非常に重要な成果となった。ただし、90%の有意度は確定的と言える結果ではないので、今後データ量を更に増やし高統計の測定が必要である。
ニュートリノ振動の研究と並行して、遅れていた水標的新型ニュートリノ測定器の製作を完了し、データ収集を開始した。こちらのデータ解析はまだ途中であるが、ニュートリノビームを用いて、性能は十分なことが確認できた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究の目標は、T2K実験で大強度運転を実現し、ニュートリノ振動でCP対称性の測定を実現することである。本年度の非常に大きな成果は、世界で最初にニュートリノ振動でCP対称性が破れている兆候を90%の有意度で確認したことである。この成果は、本研究５年間の最終目標であったため、当初の計画を前倒しで達成したと言える。平成28年度は、水標的新型ニュートリノ測定器の製作こそ遅延したが、逆に物理解析に注力することでニュートリノ振動の研究の効率を上げて、ニュートリノにおけるCP対称性の破れの研究が大きく進展した。
本研究の当初の研究開発項目は、J-PARC加速器の大強度化、T2Kニュートリノビームラインの大強度化、そしてニュートリノ振動測定の系統誤差の改善とそれを可能とする新型ニュートリノ測定器の開発であった。加速器実験の基盤となるニュートリノビームの強度は450kWを超え、研究の最終目標であった500kWをほぼ達成したと言える。系統誤差も、ニュートリノビームフラックス起因が3%、ニュートリノ原子核反応起因が5%、検出器起因が3%で、ニュートリノ振動解析の系統誤差が合計で6%まで改善し、5年間の研究目標を前倒しで達成した。
以上のように、当初立てた５カ年計画の研究目標を、ほぼ4年で達成し、ニュートリノ振動でCP対称性の測定が行えた。その結果、CP対称性が破れている兆候を90%の有意度で確認した。ただし、実験の最中に起こったJ-PARCハドロンホール事故のために実験が1年半休止したため、全データ数は当初予定より少なくなっている。この点は、データ収集の効率を上げることと、ニュートリノ測定器スーパーカミオカンデの検出効率を大幅に向上させることで補完し、最終的な物理感度を達成することに成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
上で述べたように、5年間の研究目標を4年目で無事達成することができた。しかし、我々がCPの破れの兆候を掴んだことで、世界的に、「CPの破れの発見」を目指した競争が加熱してきた。特に、米国ではT2K実験のライバルの加速器ニュートリノ実験NOvAが進行中であり、予断を許さない状況にある。本研究もこれまでの成果に満足することなく、次のレベルへと研究を進め、CPの破れへの感度を最大にすることを目指す。このため、当初の研究計画にはなかったが、反ニュートリノビームのデータ量をより増やし、T2K実験のデータで直接的にCPの測定を実現する。また、データ量をより増大するために、これまで振動解析に使用していなかったπ中間子を含んだ事象もデータ解析に加えることで、統計量を増やす。最後に、原子炉θ13測定に加えて、米国フェルミ研NOvA実験の質量階層性の測定や、スーパーカミオカンデの大気ニュートリノ測定等の結果を包括し、総合解析で最大限の物理感度を達成することを目指したい。ただし、この新目標は野心的であり、残り１年で達成するのは厳しいが挑戦していく。
以上に加えて、次世代のニュートリノCP実験（ハイパーカミオカンデ）で必要となる、最終目標3%の系統誤差を達成できる可能性のある高性能ニュートリノ測定器の開発研究を進める。水標的、薄型シンチレータ、波長変換ファイバー、半導体光子測定器MPPCを使った新型ニュートリノ検出器は完成しており、この測定器で得られるデータで、どこまでニュートリノと原子核反応を理解できるか詳細な検討を行う。より高精度な測定が必要な場合は、本領域の計画研究B01班で開発している原子核乾板技術のT2K実験への採用も検討してみる。
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