T2K実験

東海ー神岡(Tokai to Kamioka)長基線ニュートリノ振動実験

 

K2K実験からT2K実験へ

 スーパーカミオカンデは1998年、大気ニュートリノの観測により、ミューニュートリノが飛行中に別の種類のニュートリノに変化する、「ニュートリノ振動」という現象を発見しました。このニュートリノ振動を、人工ニュートリノを用いた実験で確認するためのK2K実験が、1999年から2004年にかけて行われました。

 K2K実験は、茨城県つくば市にある、高エネルギー加速器研究機構の加速器を用いて作られたニュートリノを、250km離れたスーパーカミオカンデによってとらえることで、ニュートリノが飛行するうちに生成時とは別の種類のニュートリノに変化する様子を観測しようとする、世界で初めての長基線ニュートリノ振動実験でした。観測の結果、大気ニュートリノで発見されたニュートリノ振動を99.9%以上の精度で確認することができました。

 このK2K実験の成功をふまえ、さらに強力かつ高性能なニュートリノビームで、精密にニュートリノ振動を研究しようというT2K実験が2009年4月から始まりました。T2K-K2K map

 T2K実験は、茨城県東海村の大強度陽子加速器施設(JPARC)で作られた世界最大強度のニュートリノビームを295km離れたスーパーカミオカンデに打ち込みます。K2K実験の約50倍の強度のニュートリノビームを使って、ニュートリノ振動に関する精密な研究が期待されます。

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加速器ニュートリノがなぜ必要か

 太陽ニュートリノ、大気ニュートリノはすべて自然に作られたニュートリノです。したがって、生成されるニュートリノの情報を正確に知ることはできません。また、飛来するニュートリノのエネルギーにも幅があります。

 ニュートリノ振動を正確に測定するには、ニュートリノ生成点での情報を正確に把握し、長い距離を飛行した後の情報と比較する必要があります。そのため、人工的に生成したニュートリノであれば、生成点でのエネルギーや数などを正確に知ることができます。また、生成するニュートリノのエネルギーを決めることができるので、最もニュートリノ振動の効果が大きいエネルギー範囲に絞ってニュートリノを生成することもできます。

 このように、ニュートリノ振動を正確に測定するためには、加速器で人工的に作られたニュートリノを用いることが大変有用です。

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実験目的

 T2K実験では、ニュートリノ振動に関するパラメータ の測定を通して、 ニュートリノ振動の全容解明をめざします。
 太陽ニュートリノの観測では、電子ニュートリノからタウニュートリノへの振動が確認され、ニュートリノ振動に関わるパラメータのうち、θ12、 Δm212が測定されています。大気ニュートリノ観測やK2K実験ではミューニュートリノからタウニュートリノへの振動が確認され、θ23、Δm223が測定されています。しかし、θ13に関しては、原子炉ニュートリノ観測から上限値が求められていますが、有限な値は求められていません。T2K実験では、質の良いデータを大量に得ることができるため、未発見のミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動を発見し、θ13を測定することが期待されています。

 また、測定されているθ23、Δm223についても、これまでよりも良い精度で求めることができます。

 さらに、有限なθ13が測定された場合、反ミューニュートリノビームを作り、ニュートリノ振動と反ニュートリノ振動の違いを測定することにより、物質と反物質の非対称性の謎を検証できる可能性があります。

 

 以上をまとめると、T2K実験の主な目的は次の3点です。

1. 未発見のミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動の発見

2. ミューニュートリノからタウニュートリノへの振動パラメータの精密測定

3. 物質と反物質の対称性の破れの検証

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JPARCニュートリノビームは世界最大強度

 茨城県東海村にある大強度陽子加速器施設(JPARC)では、陽子シンクロトロンで陽子を50GeVまで加速します。加速された陽子を炭素の標的に衝突させると、π粒子が大量に発生します。このπ粒子は数十メートル走る間に、ミューオンとニュートリノに崩壊します。このニュートリノを神岡の方向に打ち込むのです。しかし、ニュートリノは電荷をもたないので、方向を制御することができません。そこで、ニュートリノになる前のπ粒子の時点で電磁ホーンで磁場をかけ、π粒子の方向を神岡の方向にそろえます。電磁ホーンで方向がそろえられたπ粒子は、長さ94mのディケイボリュームと呼ばれる空洞を走る間に、ミューオンとニュートリノに崩壊します。ディケイボリュームの終端には、グラファイト製のハドロン吸収体があり、ニュートリノ以外の粒子を止めることができます。

beam-line

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ビーム中心をスーパーカミオカンデから2.5°ずらす

 K2K実験の場合と大きく異なるのが、ニュートリノビームの方向です。K2K実験の場合は、ニュートリノビームの中心をスーパーカミオカンデの方向に向けていました。しかし、T2K実験では、ビームの中心はスーパーカミオカンデの2.5°下にあります。

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 ニュートリノ振動はニュートリノのエネルギーと距離によって、振動の仕方が変わります。T2K実験の場合、ニュートリノの生成点から検出地点までの距離295kmに対して、最も振動の効果が大きくなるニュートリノエネルギーは0.5~0.7GeVです。この範囲にニュートリノのエネルギーを合わせることにより、より効果的にニュートリノ振動を観測することが可能になります。ニュートリノビームの中心をスーパーカミオカンデから2.5°ずらすことにより、π粒子のエネルギーのばらつきに依ることなく、ニュートリノのエネルギーを欲しい値に絞ることができます。これにより、ニュートリノ振動の効果をより精密に観測することができ、感度の向上が期待されます。

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生成点での情報を得る

 T2K実験では、ニュートリノが長い距離を走ったことによる変化を観測します。したがって、スーパーカミオカンデで観測する情報と、ニュートリノが生成した時の情報の両方が必要です。

 ニュートリノ生成点での情報を得るために、炭素標的から280m地点に前置検出器を置きます。ビーム中心点に置かれた検出器では、ビーム方向やビームの安定性を測定します。スーパーカミオカンデ方向に置かれた検出器では、エネルギー分布などを測定します。

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スーパーカミオカンデでJPARCニュートリノをどう見つけるか

 スーパーカミオカンデは、2008年9月にデータ収集システムのアップグレードを行いました。それによって、全ての光電子増倍管からの信号を記録することができるようになり、1日当たりのデータ量は約500GBにもなります。その膨大なデータには、大気ニュートリノ、太陽ニュートリノ、宇宙線ミューオン、岩盤中のラドンの放射能などからの信号が含まれています。その中からJPARCからの人工ニュートリノを区別するために、以下のような方法を用いています。

 JPARCでのニュートリノは約3秒に1回、5マイクロ秒間発射されます。JPARCでニュートリノが発射された時刻とスーパーカミオカンデで観測された反応の時刻は、GPS衛星の電波を使って正確に記録されます。
ニュートリノの発射時刻は、J-PARCから学術情報ネットワーク(SINET3)を利用してスーパーカミオカンデに伝えられます。その発射時刻に、JPARC-神岡間のニュートリノの飛行時間(約1000分の1秒)を加えた時刻が、スーパーカミオカンデにJ-PARCからのニュートリノが到達する時刻になります。この時刻に検出された反応を選び出すことによって、JPARCからのニュートリノを判別することができるのです。

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期待される結果

 T2K実験では、大強度かつ高性能のニュートリノビームを用いることにより、ニュートリノ振動の精密な研究が可能になると期待されています。
 まず、ミューニュートリノからタウニュートリノへのニュートリノ振動に関わる振動パラメータが非常に高精度で求められると考えられます。また、未発見のミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動の探索に関しては、 既存の実験の10~20倍の感度があり、発見の可能性が期待されます。

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T2K実験 主な共同研究者

T2K実験は、国際的な共同研究です。日本はもちろんのこと、アメリカやカナダ、ヨーロッパなど12か国から約400人程度の研究者が参加しています。

東京大学宇宙線研究所から参加している主な教員リストは以下の通りです。

神岡宇宙素粒子研究施設

鈴木 洋一郎、 中畑 雅行、 森山 茂栄、 塩澤 真人、 竹内 康雄、 早戸 良成

宇宙ニュートリノ観測情報融合センター

梶田 隆章、 金行 健治

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リンク

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