液体アルゴン三次元飛跡検出装置を用いた世界協力による物質優勢宇宙創成の謎への挑戦

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01134
• 研究機関: 大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構
• 研究代表者: 長谷川 琢哉 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, 教授 (40261549)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 液体アルゴン三次元飛跡検出装置 / 物質優勢宇宙創成の謎 / レプトンのCP対称性 / ニュートリノの質量階層性 / 陽子崩壊

研究実績の概要

物質優勢宇宙創成の謎への挑戦を行うため、巨大液体アルゴン三次元飛跡検出装置(LAr-TPC)を用いた Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) が始動した。DUNEでは 1)1,300km以上の長基線、2)水相当3,000m以上の大深度地下に設置される25kt以上のLAr-TPC、3)1MW以上の出力を持つ大強度陽子加速器により生成される大強度ニュートリノビーム、4)生成直後のニュートリノの素性を把握するための前置測定装置、5)加速器ビームによる性能実証機能・較正機能を備えた 1kt LAr-TPC、を用意し、長基線ニュートリノ研究(レプトンのCP対称性の破れの探索とニュートリノ質量階層性の決定)と陽子崩壊現象探索研究を行う。本研究では、1kt LAr-TPC の実現及び性能実証により、長基線ニュートリノ研究と陽子崩壊探索の信頼性をゆるぎなきものとすることを目的としている。これまでに、電離電子信号読み出し電極、電離電子信号用エレクトロニクス、光検出装置について、試作、最終仕様決定がなされ、各々、必要量の作成と個別性能確認が行われ、測定装置組み込み前統合試験を経て、1kt LAr-TPC への組み込みが行われた。組み込み後には、1kt LAr-TPC 全体システムの統合試験、宇宙線を使用した動作試験が開始されている。1kt LAr-TPC 測定装置を長期安定稼働するうえで不可欠な高電圧印加装置の放電不安定性除去を目的とした測定装置再調整も実施され、加速器・宇宙線による測定装置性能評価が行われている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

電離電子信号読み出し電極、電離電子信号用エレクトロニクス、光検出装置の必要量の作成と個別性能確認が行われ、測定装置組み込み前統合試験を経て、1kt LAr-TPC への組み込みが終了している。組み込み後には、1kt LAr-TPC 全体システムの統合試験、宇宙線を使用した動作試験が開始されている。1kt LAr-TPC 測定装置を長期安定稼働するうえで不可欠な高電圧印加装置の放電不安定性除去を目的とした測定装置再調整も実施され、加速器・宇宙線による測定装置性能評価が行われている。

今後の研究の推進方策

加速器・宇宙線による測定装置性能評価を行う。年度全般を通して、加速器ビームによる測定装置性能実証のための、計算機シミュレーション、実験データ解析を行う。

研究成果

• [国際共同研究] Fermilab/BNL/SLAC(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Fermilab/BNL/SLAC
  • 他の機関数: 80
• [国際共同研究] IPNL, Lyon/Saclay/APC, Paris(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: IPNL, Lyon/Saclay/APC, Paris
  • 他の機関数: 3
• [国際共同研究] CERN/University of Bern/ETHZ(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: CERN/University of Bern/ETHZ
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] University of Oxford/University of Cambridge/University of Manchester(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: University of Oxford/University of Cambridge/University of Manchester
  • 他の機関数: 15
• [国際共同研究] CIEMAT/IFIC/IFAE(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: CIEMAT/IFIC/IFAE
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 27
• [雑誌論文] Development of Low Temperature Analog Readout (LTARS 2018) for LAr-TPCs (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Journal of Physics: Conference Series 巻: 2374, 1 ページ: 012077
  • DOI: 10.1088/1742-6596/2374/1/012077
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] First gadolinium loading to Super-Kamiokande (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1027 ページ: 166248
  • DOI: 10.1016/j.nima.2021.166248
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Design, construction and operation of the ProtoDUNE-SP Liquid Argon TPC (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 17, 01 ページ: P01005
  • DOI: 10.1088/1748-0221/17/01/P01005
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Diffuse supernova neutrino background search at Super-Kamiokande (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 104, 12 ページ: 122002
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.104.122002
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Searching for solar KDAR with DUNE (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 巻: 10 ページ: 065
  • DOI: 10.1088/1475-7516/2021/10/065
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Search for Neutrinos in Coincidence with Gravitational Wave Events from the LIGO-Virgo O3a Observing Run with the Super-Kamiokande Detector (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 918, 2, 78 ページ: 78
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0d5a
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Performance study of a 3×1×1 m^3 dual phase liquid Argon Time Projection Chamber exposed to cosmic rays (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Journal of Instrumentation 巻: 16, 08 ページ: P08063
  • DOI: 10.1088/1748-0221/16/08/P08063
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Near Detector Conceptual Design Report (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Instruments 巻: 5(4) ページ: 31
  • DOI: 10.3390/instruments5040031
  • 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: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103, 11 ページ: 112009
  • DOI: 10.1103/PhysRevD.103.112009
  • 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 x 10^21 protons on target (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Physical Review D 巻: 103, 11 ページ: 112008
  • 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] Search for tens of MeV neutrinos associated with gamma-ray bursts in Super-Kamiokande (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021, 10, 103F01 ページ: 1-19
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab081
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prospects for beyond the Standard Model physics searches at the Deep Underground Neutrino Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: The European Physical Journal C 巻: 81, 4, 322 ページ: 1-51
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09007-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Supernova neutrino burst detection with the Deep Underground Neutrino Experiment (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: The European Physical Journal C 巻: 81, 5, 423 ページ: 1-26
  • DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09166-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Measurements of ν_μ-bar and ν_μ-bar + ν_μ charged-current cross-sections without detected pions or protons on water and hydrocarbon at a mean anti-neutrino energy of 0.86 GeV (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa, et. al.
  • 雑誌名: Progress of Theoretical and Experimental Physics 巻: 2021, 4, 043C01 ページ: 1-28
  • DOI: 10.1093/ptep/ptab014
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] Dual Phase TPC Electronics (2022)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa
  • 学会等名: DUNE meeting
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Dual Phase TPC Electronics (2021)
  • 著者名/発表者名: Takuya Hasegawa
  • 学会等名: DUNE meeting
  • 国際学会 / 招待講演