2013 Fiscal Year Annual Research Report
加速器ニュートリノビームによるニュートリノフロンティアの展開
| Project Area | Unification and Development of the Neutrino Science Frontier |
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| Project/Area Number |
25105002
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中家 剛 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (50314175)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
市川 温子 京都大学, 理学(系)研究科(研究院), 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, その他部局等, 教授 (70225449)
小林 隆 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 (70291317)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | 素粒子実験 / ニュートリノ / 加速器 / CP対称性 / ニュートリノ振動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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実現の開発、(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。
(1) 加速器とニュートリノビームラインは240kWの大強度運転を実現した。更なる大強度化に向けて、ストリップラインビームモニターと横方向バンチフィードバックシステムを開発することに成功した。また、ニュートリノ生成標的、ビーム収束システムの改善を実行した。しかし、平成25年5月にJ-PARCのハドロン実験施設で放射線事故が起こったため、その後のニュートリノビームデータ収集と新システムの試験は延期となった。(2)そのために、これまで取ったデータの物理解析に戦力を集中し、電子ニュートリノ出現信号を28個観測することに成功した。電子ニュートリノ出現発見の信頼度は7.3σと大幅に向上し、当初の大目標であっ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現象を確立した。また、原子炉ニュートリノ実験で測定されたθ13の情報を組み合わせることで、ニュートリノCPのパラメータδに世界で初めて制限を与えた。観測されたδの最適値は-0.5π辺りであり、これにより0.19π<δ<0.80πの領域を90%の信頼度で排除した。この解析では、系統誤差を10%以下に低減することにも成功している。(3) 電子ニュートリノ出現の物理解析に加えて、ミューオンニュートリノ事象の消失現象も解析し、ニュートリノ振動のパラメータθ23を世界最高精度であるsin2θ23=0.514+0.055-0.056の測定を実現した。本年度は、ニュートリノ測定器開発に必要な新型光子検出器の開発が遅れ、予算の繰り越しを行ったが、物理目標の達成については計画以上に進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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。そのために、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削減と、それを可能とする新型ニュートリノ測定器開発が主テーマである。
平成25年度は、J-PARC加速器・ニュートリノビームラインの300kW運転達成のために、新型ビームモニターとビームフィードバックシステムの導入、ニュートリノ生成標的とビーム収束システムの改善を実施した。しかし、J-PARCがハドロン放射線事故で休止したため、ビーム運転そのものが実現できず、新たに設置した装置の運転も延期となった。しかし、その分、物理解析に注力し、当初目標であった5σを大幅に上回り、7.3σでの電子ニュートリノ出現事象の確立に成功した。このときに、当初目標であったπ0背景事象の1/3削減、系統誤差10%以下も同時に達成している。また、この測定を使って、CPの破れの探索を開始し、CPが最大に破れているδ=0.5πのパラメータ領域を排除することにも成功した。
以上のように、J-PARCの休止に関わらず、当初の目標以上の物理結果の達成に成功した。また、将来に向けた系統誤差削減のための新型ニュートリノ測定器開発は、新型光センサーの開発が少し遅れたため、翌年度の繰り越しとなったが、全体として計画の遅延は無いと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
J-PARCがビーム運転を再開し、ストリップラインビームモニターと横方向バンチフィードバックシステムを活用し300kW以上での大強度ビーム運転を実現する。300kWを超えるビームの供給により、反ニュートリノビームの生成が可能となり、CP対称性の研究に必須な、反ニュートリノビームを使った反ニュートリノ振動の研究を進めていく。反ニュートリノビームで5E20陽子数程度までデータを貯め、世界最高精度で反ニュートリノ振動パラメータの測定を実施する。これらの測定は将来のCPの研究に必要なインプットとなる。CP対称性の測定感度向上には、更なるニュートリノビームデータの収集が必須であり、ビームデータの収集を継続する。また、振動パラメータθ23の正確な値もCP対称性の測定感度に直結するため、振動パラメータθ23の精密測定を進めていく。最終的には、電子ニュートリノ出現事象とミューオンニュートリノ消失事象を総合的に解析することで、T2K実験で測定可能な全てのニュートリノ振動パラメータ（θ13、θ23、δCP、Δm2）の同時測定を行い、各パラメータの測定精度を向上させる。
以上に加えて、前置ニュートリノ検出器で取ったデータを使って、ニュートリノ反応の系統誤差削減のために、ニュートリノ反応断面積の精密測定を行う。また、その精度を更に改善するためには、水標的を用いた新型ニュートリノ検出器が理想的であり、そのための研究開発を進めていく。具体的には、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の開発を進める。
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