ニュートリノ振動実験のためのビーム増強とその物理の展開

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12047228
• 研究機関: 高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 作田 誠 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 (40178596)
• 研究分担者: 川久保 忠通 高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 教授 (70044774) ; 高山 健 高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助教授 (20163321) ; 石井 孝信 高エネルギー加速器研究機構, 素粒子原子核研究所, 助手 (90134650) ; 白形 政司 高エネルギー加速器研究機構, 加速器研究施設, 助手 (70241792)
• キーワード: ニュートリノ / 標準模型 / 大統一理論 / ニュートリノ振動

研究概要

現在、ニュートリノ振動を検証するためのつくば-神岡間ニュートリノ振動実験K2Kが順調に進行中である。スーパーカミオカンデではKEK起源のニュートリノ事象が28個検出されている。KEK内に設置された前置検出器において検出されたニュートリノ事象の数から推定される検出数は、ニュートリノ振動が起きないと仮定した場合、37.8事象である。実際に検出された事象数28は、ニュートリノ振動が起きないとした推定値より少ない。この結果は、本年7月28日に大阪で行われた第30回高エネルギー物理学国際会議(ICHEP2000)において本研究代表者、及び実験責任者によって初めて報告された。ニュートリノ振動を科学的に99%以上の確率で結論するためには、今後数年間実験を継続することにより結論を下す事を目指す。
Δm^2が、0.003(eV)^2より低い場合は、ニュートリノ強度を増強し、低いビームエネルギーに最適化されたK2K実験を性能を改良して続けるのが1つの有効な方法である。本計画はニュートリノ強度の増強のための方法を開発し、また増強したニュートリノビームを用いた新しい物理の可能性を検討することである。
物理:ファイバー検出器を含む前置検出器を使って、ニュートリノ振動実験で一番基本的なニュートリノの量とスペクトルを低エネルギに到るまで0.5-3.5GeVに渡って測定した。さらに飛跡検出器の能力を向上するため、ファイバー検出器を取り囲むシンチレーションカウンタの時間分解能を1μsec巾から100μs巾に広げるべくTDCの開発を行った。この開発成果を踏まえ、本年度は実モジュールを製作する予定である。また、崩壊トンネル中のアルミワイヤー(ハドロニックホース)のシミュレーションを行い、前置検出器で約30%のfluxの向上、スーパーカミオカンデでは5-9%のfluxの向上が得られる事がわかった。ただし、放射線レベルの関係上、崩壊トンネル中で作業することは困難であると分かった。
加速器:KEK12GeV-PSのビーム強度を2倍に増強する目的で考えられたIntensity Doubler構想のシナリオに沿って、年度開始からすぐに500MeV蓄積リング用の勾配付き偏向磁石の設計が為された。この設計では、主として計算機コードANSYSを用い、2次元の計算が行われた。設計を基に、以下の手順で1m長のモデル磁石の製作が行われた。(1)永久磁石用フェライト材の製作をメーカーにて製作、(2)このフェライト材をKEKのPS主リング偏向磁石にて着磁、(3)KEK電磁石磁場測定施設にて、永久磁石材全数の磁束を測定、(4)依頼工場にて、磁極用・リターンヨーク用鉄材、その他構造材の製作を行い、(5)永久磁石材のシャフリングを行い、最終的な組み立てを行った。現在、このモデル磁石はKEK電磁石磁場測定施設にて磁場測定中である。途中結果を見る限り、本番にて十分使用可能な磁場分布特性だと考えられるが、温度変化補償材の選択には更なる最適化が必要の様に見える。設計計算結果は、去年のヨーロッパ加速器会議にて報告された。磁場測定結果を含めた報告は来るHEACC2001で行われる予定である。一方、この永久磁石を使用した500MeV蓄積リングの設計の骨格は終了した。
以上のように、本年度は研究計画通りに研究を実施した。

研究成果

• [文献書誌] S.Fukuda 他(作田,石井): "Tau Neutrino Favored over Sterile Neutrino in Atmospheric Muon Neutrino Oscillations"Physical Review Letters. 85. 3999-4003 (2000)
• [文献書誌] Makoto Sakuda: "Recent results from K2K"Proceedings of XXXth International Conference on High Energy Physics July 27-August 2, Osaka, Japan. (2000)
• [文献書誌] A.Suzuki 他(作田,石井): "Design, construction, and operation of SciFi tracking detector for K2K experiment"Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A453. 165-176 (2000)
• [文献書誌] N.Tanimoto,I.Nakano and Makoto Sakuda: "Bound on the tau-neutrino magnetic moment from the TRISRAN experiments"Physics Letters. B478. 1-4 (2000)
• [文献書誌] T.Kawakubo,E.Nakamura and S.Murasugi: "KEK-PS fast-extraction kicker system and its operation results"7 th European Particle Accelerator Conference Vienna, Austria June 26-30. 2243-2245 (2000)
• [文献書誌] K.Takayama: "A proposal for a major upgrade of the KEK 12GeV-PS, in Neutrino Oscillatrions and their Origin, Frontiers Sciences No.35"Universal Academy Press.Tokyo. 115-122 (2000)