| 研究課題/領域番号 |
18H03701
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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 |
福田 努 名古屋大学, 高等研究院(理), 特任助教 (10444390)
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)
早戸 良成 東京大学, 宇宙線研究所, 准教授 (60321535)
三角 尚治 日本大学, 生産工学部, 准教授 (80408947)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ニュートリノ / 反応断面積 / 原子核乾板 / 素粒子実験 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、加速器ニュートリノビームを使ったニュートリノ振動実験の感度向上のために、その主要な系統誤差であるニュートリノ原子核反応を正確に理解することである。特に、T2K実験のニュートリノ測定器スーパーカミオカンデの標的である水とニュートリノの反応断面積を高精度で測定することを目標としている。新しく設計、製作する実験装置は、水と密封した原子核乾板の積層構造からなる標的部、その下流に時間情報と位置情報を付加するシンチレーションファイバートラッカー、そして最下流でミューオンを測定する磁場印加型ミューオン飛程検出器(B-MRD)で構成される。
本年度は、当初の計画に沿って実験装置を完成させ、実験ホールに設置した。測定器のデザインはシミュレーション結果をもとに最適化し、60kgの水標的を採用し、原子核乾板を２mmの間隔で並べたデザインとなった。原子核乾板は時間情報を持たないため、時間情報を付加するためのシンチレーション・ファイバートラッカーを設計、製作した。ファイバートラッカーは総数300と少ないチャンネル数で、十分な位置分解能（1mm）を達成できるように設計した。その下流には、ニュートリノと反ニュートリノの識別が可能な磁場印加型ミューオン飛程検出器（B-MRD）を設置している。本検出器を設置し、B-MRD検出器を稼働させ、実験の準備が整った。ニュートリノビームが出れば、ニュートリノと酸素の散乱事象を高統計で観測でき、精密測定が可能な状況にある。
新型測定器の製作と並行して、プロトタイプ検出器で過去に収得した原子核乾板のニュートリノビームデータを解析し、原子核反応モデルの選択やパラメータ調整手法を検討し、本検出器のデータ解析の準備を整えた。
また、独立にT2K実験のデータを使ってもニュートリノ反応のデータ解析を実行し、ニュートリノ原子核反応の断面積測定の結果を得た。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
計画通り、実験装置を完成させ、実験準備が整った。ただし、実験装置製作の初期段階において、当初予想していなかった「製作した装置の性能が不十分である」ことが判明した。このために実験装置の製作を延期し、装置製作に必要な研究費を繰り越して、2019年度に十分な性能の装置を完成させることができた。
原子核乾板と水の標的部は、全９ユニットからなる設計で、合計で60kgの大質量を実現している。作成したファイバートラッカーは宇宙線データにより、各シンチレータが荷電粒子に対して十分な検出効率を達成していることを確認した。また、少ないチャンネル数を実現するために、ヒットのないシンチレーターの情報も積極的に活用する。さらに、ファイバートラッカーの性能を補完するために、原子核乾板を使ったシフターを導入した。B-MRDも宇宙線を使った装置較正を行い、十分な性能がでている。これらの解析から、実験装置が完成していて、十分な性能が達成できていることを確認している。
ニュートリノ振動の高精度測定には、ニュートリノと水(特に酸素原子核)の反応を正確に理解することが重要である。特に、荷電カレント準弾性散乱、π生成反応、CCQE類似の2核子散乱(2p2h反応)を測定するためには、低い運動量閾値で荷電粒子を捉えることが重要となる。プロトタイプ検出器のニュートリノビームデータ解析から、陽子において40MeVのエネルギー閾値が実現できていることが確認できた。これらの成果は、国際学会や日本物理学会で発表している。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験装置が無事に完成したので、ニュートリノビームデータを収集し、そのデータを使った物理解析へと進む。物理解析には、シミューレーションの整備、解析プログラムの準備が必要で、こちらはパイロット実験のデータを使って、ニュートリノ事象構築方法、原子核反応モデル選択方法、解析パラメータの調整手法の開発を先行させる。
2019年度からT2K実験のニュートリノビームを使って実験を進めていき、ニュートリノ・原子核散乱から生成した荷電レプトン、陽子、荷電π粒子等の飛跡を観測、運動量を測定する。μ粒子の運動量は原子核乾板のデータを用いた多重散乱の頻度と、B-MRDでの飛程を併用して測定する。陽子飛跡検出の運動エネルギー閾値を40MeVとし、これまで難しかったCCQE、2p2h、CC1π生成事象を識別し、その観測を目指す。最終的にはその観測結果を使って、最適なニュートリノ原子核反応モデルや核子構造因子パラメータ、原子核模型を選定、各反応の散乱断面積の不定性を10%以下に抑えることを目指す。また、ニュートリノ反応のシミュレーションプログラムNEUTに、測定で選定した最適のモデルを導入することで、T2K実験におけるニュートリノ振動測定の系統誤差を3%以下に制限し、ニュートリノ振動の高精度な測定を実現する。
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