加速器を使った長基線ニュートリノ振動実験 ~K2KからT2Kへ~

phys.sci.kobe.u.ac.jp

加速器を使った長基線ニュートリノ振動実験 ~K2KからT2Kへ~

加 速 器 を 使 った 長 基 線 ニュートリノ振 動 実 験~K2KからT2Kへ~2009 年 12 月 11 日 ( 金 )物 理 学 専 攻 ・ 物 理 学 科 談 話 会鈴 木 州


内 容導 入ニュートリノとは?ニュートリノの 発 見ニュートリノ 振 動 の 発 見長 基 線 ニュートリノ 振 動 実 験K2KT2K


そもそもとは?• 物 質 を 構 成 している 素 粒 子 ( 物 質 を 構 成 する 最 小 の 単 位 )の 一 つ。• 電 気 的 に 中 性 、 他 の 物 質 と 反 応 しにくく、あらゆる 物 質 を 通 り 抜 ける 性 質 があるため 検出 が 難 しい。• 先 に 理 論 的 に 存 在 が 予 言 された。→β 崩 壊 における 保 存 則 を 満 たすために 導 入


原 子 核 のβ の 崩 壊崩 壊原 子 核 原 子 核 + 電 子n核崩 壊e-核 p + 電 子と 考 えると、 電 子 のエネルギーは 一 定→ 実 際 は、 一 定 ではない。エネルギー 非 保 存 ?


中 性 子 のβ の 崩 壊 におけるスピン( 角 運 動 量 )n → p+ e -½ ↑ ½ ↑ ½ ↑ 1↑½ ↑ ½↑ ½↓ 0|½↑ ½↓ ½↓ 1↓n が ½↓の の 時 も 同 様角 運 動 量 非 保 存 ?


β 崩 壊 によるエネルギー 保 存 則角 運 動 量 保 存 則を 成 り 立 たせる 方 策β 崩 壊 を1930 Pauliのニュートリノ 仮 説n核核 p -+ 電 子e+νeνと 考 えると(スピン1/2で 中 性質 量 はゼロか非 常 に 小 さい 粒 子 )エネルギー 保 存 則 と 角 運 動 量 保 存 則 は成 立 する


ライネスとコーワンの 実 験 (1956)νe原子炉+ pνe→γe +γpe ++n液 体 シンチレーターnγCd液 体 シンチレーター反 応γ水γ原 子 炉 の 運 転 中 と 停 止 中 で 比 べると運 転 中 が1 時 間 あたり(36±4) 反 応 が多 く 起 こる (1.1±0.26)×10 -43 cm 2


νμの 発 見(Lederman, Schwarts, Steinberger)νμp π μ・ 粒 子 検 出 器 はスパークチェバー・μ → 直 線 状 の 飛 跡・ e → 電 磁 シャワー測 定 結 果 (1962 年 )34 single track μ events22 μ+X6 不 明 ( 電 子 には 似 ていない)


ニュートリノは 何 種 類 ?1975 年 タウ 粒 子 (τ)の 発 見 → 3 種 類 目 のニュートリノ(ντ )があるはず(1998 年 ντ の 確 認 DONUT Group: 名 古 屋 大 学 ・ 神 戸 大 学 他 )では、3 種 類 ?⇒ Yes!(1991 年 CERN LEP 加 速 器 実 験 による)


素 粒 子 の 標 準 模 型質 量 はゼロ


標 準 模 型 ではニュートリノの 質 量 を0としているが…本 当 に0???スーパーカミオカンデ(SK)によるニュートリノ 振 動 の 発 見ニュートリノに 質 量 がないと 起 こらない !


ニュートリノ 振 動• ニュートリノが 飛 行 中 に 他 の 種 類 に 周 期 的 に 変 化する 現 象 。• ニュートリノが 質 量 をもち、 世 代 間 に 混 合 がある 時に 起 こる。ニュートリノ 振 動 によりミューニュートリノが飛 行 距 離 に 応 じてある 割 合 でタウニュートリノに 変 化 する。更 に 進 むと、また 元 のミューニュートリノに 戻 る。これを 繰 り 返 すので「 振 動 」という。ニュートリノ 振 動 の 確 率L [km]P (να → νβ) = sin 2 2θ sin 2 (1.27Δm 2 [eV 2 ] ・ )E [GeV]2Δm : 2 種 のニュートリノの 質 量 の2 乗 差


SK 大 気 ニュートリノ 測 定 の 結 果 (1)天 頂 角 :θスーパーカミオカンデ宇 宙 線 と 大 気 が 反 応 してできた 大 気 ニュートリノの天 頂 角 分 布 。地 球 の 裏 側 から 来 るミューニュートリノは 予 想 より少 ない。


SK 大 気 ニュートリノ 測 定 の 結 果 (2)Neutrino98における 発 表


つくば・ 神 岡 間 長 基 線 ニュートリノ振 動 実 験 (1999~2004)(KEK to (2) Kamioka → K2K)SKでのニュートリノ 振 動 現 象 を 追 試 する


電 磁 ホーン250kA


K2Kー 実 験 装 置 の 配 置 ー・ 前 置 検 出 器 と 後 置 検 出 器 (SK)でニュートリノ 事 象 の 数 とニュートリノのエネルギー 分 布を比 較・ ニュートリノ 振 動 が 起 きていると、SKではνμが 予 想 より 減 少 ( 消 失 実 験 )。・ エネルギー 分 布 にも 違 いが 生 じる。250km


K2K 前 置 検 出 器


K2K 前 置 検 出 器1kt 水 チェレンコフ 検 出 器シンチレーティングファイバー検 出 器ミューオン 飛 程 検 出 器


ファイバーシート 製 作 装 置 とファイバーシート40cm370cm・φ0.7mm のシンチレーティングファイバーを 並 べてシート 状 にする。・ K2Kで 必 要 な240シート 全 てを 神 戸 大 で 製 作 。


ファイバーシート 製 作 装 置


シンチレーティングファイバー 検 出 器IIT-CCD chain


世 界 初 、 長 基 線 ニュートリノビームの 観 測 に 成 功1999 年 6 月 19 日 ( 土 )午 後 6 時 42 分 ( 日 本 標 準 時 間 )人 工 的 に 発 生 した 素 粒 子 を 地 中250km 飛 行 させて 観 測 した、最 初 の 実 例


K2K 最 終 結 果ニュートリノ 振 動 ありニュートリノ 振 動 なしE ν (GeV)・SKで112 事 象 (ニュートリノ 振 動 なしの 時の 期 待 値 は、155.9 +11.5 )-10.2・ 振 動 なしの 確 率 は0.003%sin 2 2θ=1.0, ⊿m 2 =(2.8±0.4)×10 -3 eV 2


ニュートリノ 研 究 の 歴 史●1930 W.パウリ ニュートリノの 存 在 を 予 言 。●1956 F.ライネスとC.コーワンが 反 電 子 ニュートリノを 発 見 。●1962 L.レーダマンら 人 工 ニュートリノビームによりミューニュートリノを 発 見 。●1962 牧 二 郎 ・ 中 川 昌 美 ・ 坂 田 昌 一 がニュートリノ 振 動 の 理 論 を 提 唱 。●1987 小 柴 昌 俊 らカミオカンデ 研 究 グループが 超 新 星 爆 発 により 発 生 したニュートリノを世 界 で 初 めて 観 測 。●1989 CERNのLEP 実 験 で 軽 いニュートリノが3 世 代 しか 存 在 しないことを 証 明 。●1998 戸 塚 洋 二 らスーパーカミオカンデ 研 究 グループが 大 気 ニュートリノの 観 測 からニュートリノ 振 動 を 発 見 。●1999 長 基 線 ニュートリノ 振 動 実 験 K2Kにおいて、 人 工 ニュートリノ 信 号 の 観 測 に 成 功 。●2000 丹 羽 公 雄 ら 米 国 フェルミ 研 究 所 のDONUT 実 験 でタウニュートリノの 存 在 を 確 認 。●2001 日 本 のスーパーカミオカンデ 研 究 グループとカナダのSNO 研 究 グループが 太 陽ニュートリノ 観 測 でもニュートリノ 振 動 の 存 在 を 証 明 。●2002 日 本 のカムランド 研 究 グループが 原 子 炉 からの 反 電 子 ニュートリノ 振 動 を 観 測 。●2002 小 柴 昌 俊 、R.デービスJrらとともにノーベル 物 理 学 賞 を 受 賞 。●2004 K2K 実 験 グループがニュートリノ 振 動 の 存 在 を、 人 工 ニュートリノを 用 いた加 速 器 実 験 で 確 立 。


残 されたのはνeντの 振 動 測 定SK, SNO, KamLandθ 12≒32 °⊿m 122~ 8×10 -5 eV 2θ12未 測 定 !θ13θ23SK, K2K, MINOSθ 23≒45 °⊿m 232~ 2.5 × 10 -3 eV 2


T2K(Tokai to Kamioka)295km


T2Kの 目 的ν e の 出 現 を 通 じてのθ 13 の 測 定(sin 2 2θ 13 ~0.006@90%CL, ⊿m 2 =2.4×10 -3 eV 2 , 10% sys. err)将 来 的 にはレプトンにおけるCP 非 保 存 (δ)の 測 定ν μ の 消 失 を 通 じてのθ 23 の 精 密 測 定(⊿(sin 2 2θ 23 ) < 0.01, ⊿(⊿m 2 23 ) < 10-4 eV 2 )


T2K 共 同 実 験 のメンバー12ヶ 国 から 約 400 人 が 参 加


検 出 器 の 配 置 と 実 験 原 理Off-axis→νのエネルギーを 絞 る準 弾 性 散 乱 反 応 によりνのエネルギーを 再 構 成


大 強 度 陽 子 加 速 器 施 設 J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)メインリング周 長 1568mニュートリノビーム3GeV RCS周 長 348m前 置 検 出 器リ 二 アック330m


ニュートリノ 実 験 施 設ν280mホーンπターゲットp前 置 検 出 器ディケイボリュームビームダンプ1 次 ビームライン


試 験 運 転 成 功 !


最 初 のニュートリノ 事 象 候 補2009 年 11 月 22 日 22:25


09 年 12 月 12, 13, 18~20 ニュートリノビームによる 試 験 運 転


ニュートリノ 研 究 の 歴 史●1930 W.パウリ ニュートリノの 存 在 を 予 言 。●1956 F.ライネスとC.コーワンが 反 電 子 ニュートリノを 発 見 。●1962 L.レーダマンら 人 工 ニュートリノビームによりミューニュートリノを 発 見 。●1962 牧 二 郎 ・ 中 川 昌 美 ・ 坂 田 昌 一 がニュートリノ 振 動 の 理 論 を 提 唱 。●1987 小 柴 昌 俊 らカミオカンデ 研 究 グループが 超 新 星 爆 発 により 発 生 したニュートリノを世 界 で 初 めて 観 測 。●1991 CERNのLEP 実 験 で 軽 いニュートリノが3 世 代 しか 存 在 しないことを 証 明 。●1998 戸 塚 洋 二 らスーパーカミオカンデ 研 究 グループが 大 気 ニュートリノの 観 測 からニュートリノ 振 動 を 発 見 。●1999 長 基 線 ニュートリノ 振 動 実 験 K2Kにおいて、 人 工 ニュートリノ 信 号 の 観 測 に 成 功 。●2000 丹 羽 公 雄 ら 米 国 フェルミ 研 究 所 のDONUT 実 験 でタウニュートリノの 存 在 を 確 認 。●2001 日 本 のスーパーカミオカンデ 研 究 グループとカナダのSNO 研 究 グループが 太 陽ニュートリノ 観 測 でもニュートリノ 振 動 の 存 在 を 証 明 。●2002 日 本 のカムランド 研 究 グループが 原 子 炉 からの 反 電 子 ニュートリノ 振 動 を 観 測 。●2002 小 柴 昌 俊 、R.デービスJrらとともにノーベル 物 理 学 賞 を 受 賞 。●2004 K2K 実 験 グループがニュートリノ 振 動 の 存 在 を、 人 工 ニュートリノを 用 いた加 速 器 実 験 で 確 立 。●201X T2K 実 験 グループがθ 13 の 測 定 に 成 功 !

More magazines by this user
Similar magazines