| 研究課題/領域番号 |
24244030
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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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(系)研究科(研究院), 教授 (50314175)
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| 研究分担者 |
横山 将志 東京大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (90362441)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 素粒子実験 / ニュートリノ / ニュートリノ振動 / CP対称性 / 光子検出器 |
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| 研究概要 |
本研究の主目的は、（１）T2K 実験で、2011年に発見したミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動の信号を確実なものとし、電子ニュートリノ出現の確率を測定することでニュートリノ振動における最後の混合角θ13を決定する、（２）反ニュートリノビームに関係する基本情報(ビームフラックス、ニュートリノ反応断面積、スーパーカミオカンデ測定器由来の系統誤差等)を高精度で決定する、（３）将来のCP対称性測定実験の実現において重要な測定器基幹技術である光センサーの開発研究、である。このうち、（１）の電子ニュートリノ出現に関して、2012年度中にこれまでの４倍のデータ量に相当する6E20陽子数のデータを収集した。2012年夏に開催された国際高エネルギー物理学会議（ICHEP2012）において、3E20陽子数のデータを使って、11個の電子ニュートリノ信号の発見を発表した。信号の信頼度は3.2σと大幅に向上し、sin22θ13=0.094+0.053-0.040と高精度で決定した。（２）に関して、T2K実験における反ニュートリノビームフラックスをシミュレーションで見積もり、その結果を使ってT2K実験での反ニュートリノビームによる物理感度を見積もった。結果として、T2K実験でCP対称性や質量階層性を研究する場合には、反ニュートリノビームによる実験が有効であるという結論を得た。この結果は、J-PARC加速器のプログラムアドバイザリー委員会（PAC）で発表した。（３）に関しては、新型光子センサーHPDの開発を浜松フォトニクスと共同で進め、8インチのHPD約20本を試験し、その基礎性能を測定した。また、平行して、高量子効率の光電面を備えた20インチ光電子増倍管の開発も行った。両方の光子検出器の開発は概ね順調で、水チェレンコフ測定器の実証試験に使用できることを確認した。
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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
本研究の達成度は、当初の想定を超えた。その理由は
（１）ニュートリノビームパワーは150kWを想定していたが、加速器の性能向上とニュートリノビームラインの改善により230kWを達成した。この結果、平成24年度は、平成23年度夏の結果に使ったデータ（1.4E20陽子数）の4倍以上の6E20陽子数を収集することに成功した。大量のデータが収集できたことにより、平成24年7月にはこれまでの統計の2倍以上となる11電子事象を発見することができた。これにより、ミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動の証拠を3σ（99.9%）以上の信頼度で確立した。
（２）反ニュートリノビーム生成に関しては、当初はシミュレーションによるフラックス予想が目標であったが、そのフラックスを用いてT2K実験での物理感度まで予想することができた。この結果、実験提案書で要求したデータ数（78E20陽子数）を確保した場合、ニュートリノにおけるCPの破れを2σの精度で発見できる可能性があることを示した。
（３）新型光子検出器HPDにおいては、これまで電子回路の故障等で基礎試験がなかなか進まない状況にあった。平成24年度に、その故障の原因が放電によるものであることを突き止め、保護回路を実装することで安全に試験ができるよう改良した。これにより20本のHPDの試験が行え、H25年度の試験に向け水チェレンコフ測定器水槽に設置する準備が整った。また、高量子効率20インチ光電子増倍管のテストでも、量子効率30%を達成できた。
上記のように、平成24年度は運よく、課題全てにおいて研究が非常に進展した年となった。
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| 今後の研究の推進方策 |
T2K実験のより一層の感度向上のために、長期的には更なるニュートリノビームパワーの増強を目指す。平成25年度は230kWのビーム強度で7月末まで実験を続け、平成24年の物理結果に使ったデータの2.5倍以上( 7.5E20陽子数)のデータを収集する計画である。この大量データを使って、ミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動を5σの信頼度で確立することを目標とする。その後は、反ニュートリノビーム生成に向け、300kW以上のビームパワーを目標とする。ビームパワー増強による統計の増加に加え、ニュートリノ反応断面積を前置ニュートリノ測定器で精密に測定することにより、将来のCP測定実験に向けた系統誤差の大幅改善を目指す。
反ニュートリノビーム実験に向けた準備を進める。具体的には、反ニュートリノビーム生成法のシミュレーション、反ニュートリノと原子核反応のシミュレーションを行い、高い精度で反ニュートリ ノ実験の物理感度を研究する。これとあわせて、ニュートリノビーム中に混入する反ニュートリノを実際に測定することで、反ニュートリノ事象の解析手法を確立する。更に、反ニュートリノビーム生成のために、ニュート リノビーム収束システムの改良、大強度運転に向けたビームモニターの改良を行う。
CP測定実験では超大型のニュートリノ測定器の建設が必要となり、そのための基幹実験技術である光子検出器の開発を進める。特に、新型光子検出器である大型Hybrid Photo-Detector(HPD)の基礎性能測定と長期実証試験が重要である。また、高い量子効率を持つ光電子増倍管(高QE-PMT)の開発と試験を平行して行う。開発中のHPDと高QE- PMTを水中に設置し、実際の水チェレンコフ測定器の一部として運用し試験する。これらの試験を通して、HPDと高QE光電面の実用可能性を試験する。
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