2015 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) |
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)
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)
清矢 良浩 大阪市立大学, 理学(系)研究科(研究院), 教授 (80251031)
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| Project Period (FY) |
2013-06-28 – 2018-03-31
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| Keywords | ニュートリノ / 加速器 / 素粒子実験 / 粒子測定器 / 原子核 |
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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に向けた開発、(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~400kWの大強度運転を実現した。この結果は、本研究で開発してきたバンチ・バイ・バンチフィードバックシステム（BB-FB）がビーム不安定性を抑制したことが決定的に重要であった。また、BB-FBシステムを使って、加速中のβ関数の測定を行い、その測定をもってビーム調整を行い、加速中のビームロスを削減することに成功した。(2) ニュートリノ振動の系統誤差は、前置ニュートリノ測定器で水標的のデータの解析を行い、系統誤差を~6%に削減した。また、前置測定器で反ニュートリノ反応を解析し、反ニュートリノと水標的の系統誤差も～6%レベルに削減した。 (3) ニュートリノ振動解析では、4.0E20陽子の反ニュートリノビームデータを使って反ミューオンニュートリノ消失を測定し、反ニュートリノ振動パラメータθ23を世界最高精度で決定した。同時に、反電子ニュートリノ出現を探索し、３個の信号候補事象を発見した。ただし、背景事象数が1.5～2.1と見積もられ、有意な信号を発見したとは結論できていない。この結果は、ニュートリノビームで測定したCPのパラメータδCP=-0.5πの場合に反電子ニュートリノ出現が抑制されていることと一致している。今後、データ量を増やし、高統計の測定が必要である。
ニュートリノ振動の研究と並行して、水標的新型ニュートリノ測定器の開発を進め、検出器の１モジュールを製作した。宇宙線を使って試験し、十分な性能が出ていることを確認した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed 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の開発が主テーマである。
現在まで（３年間）の達成度を研究計画調書で掲げた5年間の目標に対して比較する。(1) 加速器とニュートリノビームの強度向上は定常値で400kW（目標は500kW）、最高値が530kW相当（目標値は750kW）を達成した。 (2) ニュートリノビームフラックスの系統誤差を3 %で決定した（目標値は3%）。(3) 複数のニュートリノ反応モードの断面積を測定しニュートリノ原子核反応の基準模型を構築した。 (4) ニュートリノ振動解析の系統誤差を6 %に削減した（目標値は5%）。(5) 反ニュートリノビームを用いて反ニュートリノ振動を測定し、世界成功精度でθ23を決定した。また、ニュートリノ振動でCPの破れを探索し、CPが最大に破れているδ=-0.5πあたりがもっともデータと一致することを見つけた。
以上のように、当初立てた５カ年計画のうち８～９割相当はこの3年で達成したと言える。ただし、J-PARCがハドロンホールの事故で1.5年間休止したため、全データ数は現在1.3E21陽子数と当初予定より少なくなっている。今後、データ収集の効率を上げより多くのデータを取得することを目指す。また、将来に向けより小さな系統誤差（目標3%）を実現できる新型ニュートリノ測定器の開発も順調に進んでいる。新型測定器は最初のモジュールが完成した。平成28年度に実験に組み込みニュートリノ事象を観測する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
上で述べたように、当初の目標に対して８～９割相当を達成した。しかし、我々（T2K実験）が電子ニュートリノ出現を発見したことで、CPの破れの測定が現実的な目標となり、世界のニュートリノ研究者が相次いで「CPの破れの発見」を目指している。よって、本研究もこれまでの成果に満足することなく、次のレベルへと研究を進め、CPの破れの感度を最大にすることを目指す。このため、当初の研究計画にはなかったが、反ニュートリノビームのデータ量をより増やし、T2K実験のデータで直接的にCPの測定を実行する。そして、ニュートリノと反ニュートリノ、ミューニュートリ消失事象と電子ニュートリノ出現事象、のすべてのデータを総合的に解析し、ニュートリノ振動パラメータ（θ13、θ23、δCP、Δm2）を同時決定し、CPの破れの探索感度を最大限に引き上げる。また、その次には、原子炉θ13測定、米国フェルミ研NOvA実験の質量階層性の測定、スーパーカミオカンデの大気ニュートリノ測定等の結果を包括し、総合解析で最大限の物理感度を達成することを目指す。ただし、この新目標は野心的であり、残り2年で達成するのは厳しいが挑戦していく。
以上に加えて、次世代のニュートリノCP実験（ハイパーカミオカンデ）で必須となる、最終目標3%の系統誤差を達成できる可能性のある高性能ニュートリノ測定器の開発を進めていく。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第１モジュールは完成しており、ニュートリノ反応の高精度測定を目標とする。
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Research Products
(21 results)
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[Presentation] Review of Neutrino Beamline R&D2015
Author(s)
M. Friend
Organizer
International Workshop for the Next Generation Nucleon Decay and Neutrino Detector (NNN15)
Place of Presentation
Stony Brook University, Stony Brook, NY USA
Year and Date
2015-10-28 – 2015-10-31
Int'l Joint Research / Invited
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