【研究領域課題番号】18H03701 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ニュートリノ / 原子核 / 加速器 / 反応断面積 / 原子核乾板 / 素粒子実験

【研究成果の概要】

ニュートリノ振動をより高精度に測定するために、ニュートリノと水の反応を研究している。J-PARC加速器からのニュートリノビームを使い、原子核乾板測定器を用いることで水とのニュートリノ反応を高解像度で測定した。その結果、世界の他の実験では到達できなかった200MeV/cの低運動量まで陽子を観測することに成功した。また、荷電カレント・ニュートリノ反応断面積を世界最高の精度で測定した。我々のデータを使ってニュートリノ・原子核反応モデルの再現性を確認し、データがニュートリノ・原子核反応モデルの改良に適用できることがわかった。

【研究の社会的意義】

ニュートリノは素粒子と宇宙の研究のおいて重要である。ビッグバンの後に、なぜ反物質が消滅し、物質からなる我々の宇宙が誕生したかという根源的な謎を解明する鍵に「粒子と反粒子の間の対称性（CP対称性）」がある。最近、T2K実験から、ニュートリノでCP対称性が破れている兆候が観測されており、この観測の感度向上が素粒子の研究分野で望まれている。本研究は、この探索感度の向上のために新しい実験を行い、ニュートリノと原子核（水）との反応を世界最高の精度で測定した。また、ニュートリノは不思議な素粒子として一般の国民も興味を持っており、その好奇心を刺激する結果と言える。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】44,460千円 (直接経費: 34,200千円、間接経費: 10,260千円)

【研究領域課題番号】18H01227 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 素粒子実験 / 実験核物理 / 国際協力 / 加速器 / 超前方散乱 / 偏極実験 / CERN / 原子核実験 / 衝突型加速器 / ハドロン相互作用 / 空気シャワー / ニュートリノ

【研究成果の概要】

10の14乗から17乗電子ボルトの超高エネルギー宇宙線が起こす空気シャワーの精密理解のために、LHC13TeV陽子陽子衝突、及びRHIC510GeV偏極陽子陽子衝突での超前方に放出される中性粒子の研究を行ない、LHCとRHICの衝突エネルギー間での超前方ガンマ線生成のファイマンスケーリング則の成立、ATLAS実験との連動解析、RHIC横偏極衝突での超前方中性パイ中間子放出の左右非対称性の発見、などの成果を得た。また超前方粒子生成を担う回折散乱が空気シャワー発達に及ぼす影響について理解を進めた。加えて、LHC Run-3や陽子-酸素原子核衝突などの将来の測定への準備を行なった。

【研究の社会的意義】

核子―核子衝突での超前方粒子生成は、最もありふれた散乱事象であり、二次粒子が最も大きな縦運動量を担う過程として、宇宙線の空気シャワー発達や、大気ニュートリノ生成などに重要である。本課題では、2種の衝突型加速器LHCとRHICと用いて、10**14eVから10**17にいたるエネルギー領域で超高エネルギー宇宙線の超前方生成中性粒子を研究するLHCfおよびRHICf実験を推進し、その包括的解明を進めてきた。これらは世界で初めての貴重な測定データであり、宇宙線物理から高エネルギースピン物理まで幅広い分野を横断したユニークな横断研究の創出にもつながっている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】24244030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子 / ニュートリノ / 加速器 / ビーム / CP対称性 / ニュートリノ振動 / 素粒子実験 / 光子検出器

【研究成果の概要】

ニュートリノ振動の研究を中心に、反ニュートリノを使った基礎研究、次世代大型ニュートリノ実験に向けた開発研究をおこなった。T2K実験で、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観測し、7.3σの信頼度で電子ニュートリノ出現を発見した。電子ニュートリノへの振動の確率を測定し、世界で初めてニュートリノCPの破れに制限を課した（δCP=-0.5πが最適値）。反ニュートリノビームを生成し、反ニュートリノ振動のパラメータを世界最高精度で測定した。
次世代実験ハイパーカミオカンデを使ったCPの破れの測定感度を調べた。また、高性能光センサーの開発に成功した（浜松フォトニクスと共同開発）。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2017-03-31

【配分額】45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】20674004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子(実験) / ニュートリノ / 加速器 / ニュートリノ質量 / ニュートリノ振動 / 光子検出器 / ニュートリノビーム / 素粒子実験 / 放射線、X線、粒子線

【研究成果の概要】

素粒子ニュートリノの混合現象を究明しニュートリノ質量の起源を探るため、加速器ニュートリノビームを使ってニュートリノ散乱実験(FermilabE954SciBooNE)と長期線ニュートリノ振動実験(J-PARCE11T2K)を実施した。SciBooNE実験では世界最高精度でニュートリノ反応断面積を測定した。T2K実験では、新しいニュートリノ振動モードであるミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの転換を発見した。これにより、ニュートリノに対する理解を飛躍的に進展させた

【研究種目】若手研究(S)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】68,380千円 (直接経費: 52,600千円、間接経費: 15,780千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】19204026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子実験 / 放射線、X線、粒子線 / 加速器 / ニュートリノ / 原子核反応

【研究成果の概要】

研究は全般にわたり予定通り順調に進んでいる。平成19年4月から、SciBooNE測定器の設置とコミッショニングを行い、6月から予定通りデータ収集を開始した。6月から8月まで反ニュートリノビームでデータ収集を行い5×10^<19>陽子ビームのデータを収得した。5月末にフェルミ研で開催された「ニュートリノ反応」に関する国際研究会NuInt07で、SciBooNEの最初のニュートリノ事象について報告した。それに続く、原子核の国際会議INPC2007で中家が、SciBooNE実験の現状について報告した。
夏に測定器の改善と保守点検を行い10月からはニュートリノビームモードでデータ収集を開始した。平成20年3月末までに、9.8×10^<19>陽子ビームデータをニュートリノモードで収集した。これは当初目標の10×10^<19>をほぼ達成したことを意味する。
実験期間中は、京都大学院生の平出、栗本、中島と東工大の武井の計4名が現地に滞在し、実験のデータ収集に責任を持った。そして、宇宙線データとLEDデータを使った検出器の較正を終了させた。また、東大宇宙線研の三塚が早戸の指導のもと、フェルミ研を訪れ、ニュートリノ反応シミュレータNEUTの改善を行った。物理解析としては、ニュートリノエネルギー測定に必要な荷電カレント準弾性反応と、そのバックグラウンドである共鳴1π生成反応の研究を重点的に進め,平成20年3月にフェルミ研で開催されたPAC(Program Advisory Committee)でその最初の結果を報告した。
また、フェルミ研でのニュートリノデータの収集と並行して、新型光検出器MPPCの開発を行った。MPPCがシンチレータの波長変換ファイバー読出し法に適した光検出器であることを示した。現在、SciBooNE実験に必要なMPPCの較正をおこなっている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】30,420千円 (直接経費: 23,400千円、間接経費: 7,020千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】17340076 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子実験 / 放射線、X線、粒子線 / 加速器 / ニュートリノ / ビームモニター / 測定器 / ニュートリノ振動 / 原子核反応 / ニュートリノ質量 / フレーバー物理 / ニュートリノ反応

【研究成果の概要】

本研究では、2009年度開始予定の東海-神岡間長基線ニュートリノ振動実験(T2K実験)で採用する世界初非軸ニュートリノビームの生成方と制御方法、そしていかにビームを理解するかについて研究を行った。T2K実験では、まだ未確定のニュートリノ混合角θ13の測定と、ニュートリノ質量の二乗差と他の混合角θ23の精密測定を目指す。このために高品質・大強度ニュートリノビームの生成は実験の要である。本研究では平成17-18年の2年間で、次の5つの項目で飛躍的に研究を発展させた。
(1)K2K実験とスーパーカミオカンデ実験においてニュートリノ振動パラメータをより精密に決定した。この結果T2Kでのニュートリノビームの最適化が可能となった。
(2)ニュートリノビーム生成に関する研究を進めた.特にヨーロッパCERNで行ったハドロン生成測定実験(HARP実験)の結果を発表した。この結果、ニュートリノビームの性質をより正確に予測することが可能となった。
(3)ビーム制御に必要なミューオンモニター測定器の試作機を開発し、京大化研にある電子加速器のビームを使って測定器の性能を評価した。この結果、ビームモニターの実機版製作のデザインを確定できた。
(4)同じくビーム制御に必要なニュートリノモニター測定器の試作機を開発し、その性能評価を行った。また同時にビームパラメータの詳細をシミュレーションで評価した。
(5)ニュートリノ反応断面積測定のため新実験FNAL E954(sciBooNE実験)を米国フェルミ研で実現させた。SciBooNE実験で測定するニュートリノ反応断面積は、T2K実験でのニュートリノビームの理解に直結する。
以上の5つの成果をもって、より精密にT2K実験の非軸ニュートリノビーム生成方を理解することを可能とした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】12,400千円 (直接経費: 12,400千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】13852002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ニュートリノ / ニュートリノ質量 / ニュートリノ振動 / 加速器 / フレーバー物理 / 測定器 / ニュートリノ反応 / フレーバー混合 / 素粒子 / フレーバー / パイ中間子 / ミューオン / 陽子 / シンチレーター

【研究成果の概要】

本研究では、加速器で生成したニュートリノビームを使って世界で初めてニュートリノ振動現象を確認した。1999年から2004年にかけて収集した92E18陽子/標的の全データを使い、スーパーカミオカンデで112加速器ニュートリノ事象を観測した。ニュートリノ振動無しの予測は158.4事象で、3σの優位度でニュートリノ振動によるミューオンニュートリノ消失を確認した。そして新たに設置した前置検出器、SciBarを使ってニュートリノ反応過程を詳細に研究し、ニュートリノエネルギースペクトルの精密測定を行なった。KEKでのニュートリノスペクトルと神岡でのスペクトルを比較し、ニュートリノ振動によるSKでのニュートリノのエネルギースペクトルの変化を確認した。ニュートリノ振動解析を行いニュートリノ振動無しの仮定を99.998%(4.3σ)で却下し、スーパーカミオカンデで発見されたニュートリノ振動を追試することに成功した。また同時に、ニュートリノ混合角sin^22θ=1.0で、ニュートリノ質量の二乗差を90%CLで(1.9〜3.5)×10^<-3>eV^2と世界最高レベルの精度で測定した。またこの結果には、我々がCERNで行なったハドロン生成測定実験(HARP実験)の最新結果も含めており、KEKから神岡へのニュートリノフラックスの外挿の精度を格段に向上させている。また、SciBar検出器では、ニュートリノによる荷電カレントコヒーレントπ生成反応が予想に反して格段に小さいことも発見した。最後にミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動のシグナル、電子ニュートリノ出現事象を探索し、その感度を向上させsin^22θ_<μe><0.13@Δm^2=2.8×10^<-3>eV^2と上限値を設定した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2001 - 2005

【配分額】126,880千円 (直接経費: 97,600千円、間接経費: 29,280千円)