領域略称名:ニュートリノ

 

領域番号:408

 

 
(別紙様式)

 

 

 

 

 

 

 

平成15年度科学研究費補助金

特定領域研究 研究状況報告書

「ニュートリノ振動とその起源の解明」

 

 

 

 

 

(研究期間)

平成11年度〜平成15年度

 

 

 

平成15年 7月

 

 

領域代表者

東京大学・宇宙線研究所・教授・鈴木 洋一郎

 

 

連絡先電話番号:0578―5−9601


 

(1)  領域の概要

 

本特定領域では、ニュートリノ振動に関する実験的、理論的な研究を総合的に推進し、ニュートリノ振動の起源を解明する。スーパーカミオカンデによるニュートリノ振動の発見によって、ニュートリノ振動という新たな研究分野が切り開かれた。本領域では、この突破口を越えて、ニュートリノ振動現象の徹底的な解明を行い、その背後にある未知の超高エネルギーの世界の解明を目指す。そのために、大気ニュートリノ現象の徹底的解明、太陽ニュートリノ振動の確定、ニュートリノ質量の起源の探求、レプトンフレーバーの破れの探求、を研究の重点におき、領域全体で連携をとりながら研究を推進する。

 

(2)  領域全体の研究目標

 

今年は領域の最終年度にあたる。領域全体の研究目標は、ニュートリノ振動に関する研究を、実験的方法、理論的方法の両側面から総合的に推進し、ニュートリノ振動の精密観測を行うと共に、その背後に潜む未知なる超高エネルギーの世界の解明を目指す。それらを行うために、大気ニュートリノ振動の研究においては、1次宇宙線の強度を決定し、ニュートリノ振動パラメータの精密決定、振動モードの特定を行う。太陽ニュートリノ振動においては、太陽モデルの精密化、太陽内部での原子核反応の系統的研究をふまえて、ニュートリノ振動を確定し、ニュートリノ振動パラメータを決定する。そして、これらの実験結果をふまえて、ニュートリノの質量と混合に対する全体像を構築し、質量の起源の解明を目指す。ニュートリノ振動の存在は、レプトンフレーバーの破れをも予言するものである。レプトンフレーバーの実験的研究、理論的研究も行い、総合的にニュートリノ振動の起源の解明を目指す。

 

(3)  領域内における研究組織と研究班の連携状況

 

研究組織は、総括班のもと、4つの大きな研究組織、A01「大気ニュートリノ振動の研究」、A02「太陽ニュートリノ振動の研究」、A03「ニュートリノ振動の理論的研究」、A04「ニュートリノ振動とレプトンフレーバーの破れ」によって行われている。そして、A01は、「大気ニュートリノ振動の精密研究」、「一次宇宙線の精密測定による大気ニュートリノ絶対強度の決定」、「BESS測定器による宇宙線ミュー粒子絶対流速高度変化の精密測定」の3計画研究、A02は、「太陽ニュートリノ振動の精密研究」「日震学に基づく太陽モデルの構築と太陽ニュートリノ絶対強度の決定」、「ニュートリノ放射をともなう星内原子核・素粒子反応率の精密決定と天体現象への応用」の3計画研究、A03は、「ニュートリノ質量の起源」、「ニュートリノ振動をめぐる理論的諸問題」、「ニュートリノ質量行列と統一模型」、「ニュートリノ振動現象の研究」、「ニュートリノの質量行列とCPの破れの研究」、「ニュートリノ質量行列の現象論的研究」の6計画研究からなる。A04は、「レプトンフレーバーを破るミュー粒子崩壊の研究」、「フレーバー混合に関わる素粒子現象と標準模型を超える物理」の2計画研究からなる。

 

各研究班は、今までの報告時と同様に実験理論の区別を越えた連携を行っている。

連携状況

. 「大気ニュートリノ振動の精密研究」のためには、大気ニュートリノのフラックスを精密に知ることが不可欠であるため、「BESS測定器による宇宙線粒子絶対流束高度変化の精密測定」班、「一次宇宙線の精密測定による大気ニュートリノ絶対強度の決定」班と頻繁に会合を持って、より良い大気ニュートリノフラックスの計算ができるように努めている。また、ニュートリノ相互作用を精密に知ることがニュートリノ振動パラメータの精密決定に不可欠であるので、K2K実験で得られたニュートリノデータを、公募研究「K2K実験:全感知型シンチレータ飛跡検出器を使ったニュートリノ反応の研究」と議論しながらニュートリノ相互作用のシミュレーションの改善に努めている。

 

2.「太陽ニュートリノ振動の精密研究」のためには、太陽内部の物質構造および核融合反応率を決定する原子核反応に関する情報が不可欠である。太陽内部の物質構造については「日震学に基づく太陽モデルの構築と太陽ニュートリノ絶対強度の決定」班による研究により、精密な太陽内の物質構造分布が得られている。また、「ニュートリノ放射をともなう星内原子核・素粒子反応率の精密決定と天体現象への応用」班による研究により、太陽モデルからのニュートリノ強度の予測が精度を増しつつある。また、「太陽ニュートリノ振動の精密研究」班で目的とする低エネルギー太陽ニュートリノの開発研究においては、公募研究「低エネルギー太陽ニュートリノ検出装置のバックグラウンドの評価と低減」や「液体キセノンを用いた136Xe2重β崩壊検出器開発のための基礎研究」と綿密に連絡をとりながら、研究を進めている。

 

3.A03「ニュートリノ振動の理論的研究」の各班は、特定の絞ったテーマについての理論中心の研究会や毎年夏に行っているSummer Instituteを組織しながら、全班の研究者の交流の場を積極的に組織している。これらの研究会には、海外からも研究者を招聘し、活発な研究交流を行っている。また、「大気ニュートリノ振動の精密研究」班や「太陽ニュートリノ振動の精密研究」班から得られる最新の観測データを基にして、現象論的、理論的研究が「ニュートリノ振動の理論的研究」の各班によって行われている。

 

4.「ニュートリノ振動現象の研究」「ニュートリノ質量行列の現象論的研究」班は、研究宇宙ニュートリノ観測情報融合センター(東京大学宇宙線研究所)との共催で「特定・宇宙ニュートリノセンター共催研究会」を約2カ月に一回のペースで定期的に開催している。

 

5.「レプトンフレーバーを破るミュー粒子崩壊の研究」班は、実験の感度が太陽ニュートリノ振動現象と深く関係するため、「太陽ニュートリノ振動の精密研究」班と連絡を取りながら研究を進めている。また、計画研究「フレーバー混合に関わる素粒子現象と標準模型を超える物理」班や公募研究「超対称模型におけるニュートリノの質量とレプトン混合の研究」などとは、新しい物理に対する実験のインパクトについて情報交換を行っている。公募研究「液体キセノンガンマ線検出器のキャリブレーションシステムの開発」では本研究で不可欠なガンマ線検出器の較正方法の開発を行っており、密接に連携して研究を進めている。

 

6.領域全体の連携を深めるため、また、研究の方向性をより具体的に検討するために、領域全体の研究会を国際的に行っている。第1回は、2000年2月11日から3日間、 第2回目は2000年12月6日〜8日、第3回は2001年12月5日〜8日、第4回は、2003年2月10日〜14日に行なった。年1回のペースで行なっている。この研究会はNOON(Neutrino Oscillation and their OrigiN)という愛称で呼ばれ、国際的にも知られる会議となっており、最新のニュートリノ研究の結果を世界に発信している。2003年2月のNOONは、国際プログラム検討委員会も設け、国際研究集会とした。

 

7.毎年、年に数回、計画研究の研究代表者が集まり、領域全体の研究の進め方、NOON研究会のプログラムの検討会を行っている。

 

(4)     領域内の研究の進展状況とこれまでの主な研究成果

 

「大気ニュートリノ振動の精密研究」班は、データ解析をより精密化するために、新しいニュートリノ強度計算結果の使用、ニュートリノ相互作用モデルのより精密化、スーパーカミオカンデ測定器シミュレーションの改良、事象再構成プログラムの改良などを行ってきた。今までの改良をしてきた解析結果がおおよそまとまり、それを国際会議等で発表していく。更に細部を詰めて論文としてまとめる予定である。現在のところ、データはミューニュートリノとタウニュートリノ間のニュートリノ振動を仮定することで非常によく説明でき、その間の混合角は、最大と矛盾ない。また、2種のニュートリノの質量の2乗の差の中心値は、約2×103eV2である。

 

「一次宇宙線の精密測定による大気ニュートリノ絶対強度の決定」では、昨年度にカナダ北部で実施したBESS–TeV宇宙粒子線観測気球実験のデータ解析を進め、数百GeVまでのエネルギースペクトル測定の要となる粒子飛跡検出器の位置分解能が設計値どおりの値であることを確認した。入射粒子の運動量測定における系統誤差を少なくするような測定器較正の方法の検討を進めた。これらの検討をもとに最低でも1~300 GeVのエネルギー領域で一次陽子宇宙線のエネルギースペクトルを10%以下の精度で求めうる見込みを得た。現在より詳細な測定器較正のチェックと解析に使用できるデータを増やす努力を続けている。

 

BESS測定器による宇宙線粒子絶対流束高度変化の精密測定」班では、2001年夏に実施したBESS気球実験では、観測中に高度が大きく変化したため、この高度変化中に観測したデータを解析し、1/200気圧(海抜36km)から1/40気圧(海抜25km)に於ける陽子・ヘリウム・μ粒子のスペクトルの高度変化を発表した。また、乗鞍山山頂に於けるμ粒子、陽子・反陽子のエネルギースペクトルの結果を発表した。さらに、海抜1270m(米国、ニューメキシコ州)に於けるμ粒子の解析、0.8気圧(海抜2100m)から1/200気圧(海抜36km)に於けるμ粒子スペクトルの高度変化の解析を進めている。

 

「太陽ニュートリノ振動の精密研究」班においては、スーパーカミオカンデの結果とSNO実験の結果を比較することにより、スーパーカミオカンデが捕らえているニュートリノには、ミューニュートリノ成分やタウニュートリノ成分が混じっていることを示し、ニュートリノ振動の直接的な証拠を示した。また、スーパーカミオカンデで観測したエネルギー分布、昼夜の強度変化を用いて解析し、混合も質量差も大きい解(LMA解)がニュートリノ振動パラメータとして、もっとも確からしいという結論を得た。ちなみに、この結果は、2002年12月には、原子炉ニュートリノを用いたカムランド実験によって確認された。低エネルギー太陽ニュートリノに関する開発研究では、100kgキセノン実験装置を作り、装置の受光感度が期待どおりであることを示した。現在、バックグラウンド除去に関する研究を進めている。

 

「精密太陽モデルの構築と太陽ニュートリノ絶対強度の決定」班は、日震学データに基づいて、太陽ニュートリノ実験からニュートリノ振動パラメータを決定する際に必要となる精緻なる太陽モデルを構築した。この手法の特長は、進化史を仮定せずに、現時点での太陽内部を議論できることにあり、太陽の現時点での音速分布、密度分布を得ることができる。そして、ニュートリノ・フラックスについては、観測値に比べ、予想値は有意に大きく、ニュートリノ振動パラメータの決定に貢献した。

 

「ニュートリノ振動現象の研究」班では、双確率空間におけるCPダイアグラム表示にT(時間反転)非保存測定をも考慮してこのダイアグラムの概念を拡張した。この結果得られた統一CP・Tダイアグラムの性質を解析することによって今まで十分な注意を払われることのなかったCPやT変換で結びつく振動確率間の新たな関係式(CP-CP、およびT-CP関係式)が得られた。大気ニュートリノ研究、太陽ニュートリノ研究によって個別のニュートリノ振動パラメータが測定されつつあるが、3世代ニュートリノ振動を考えた場合、振動パラメータが縮退している可能性がある。これをCP・Tダイアグラムを用いて一般論を示した。

 

「ニュートリノ質量行列の現象論的研究」班は、Texture Zerosをもったニュートリノ質量行列のモデルの現象解析を大気ニュートリノ、太陽ニュートリノ、原子炉ニュートリノ振動の実験結果を用いておこなった。シーソー機構の具体的モデルをTexture Zerosに基づいて研究し、その典型的パターンを発見した。また、宇宙のバリオン生成をLeptogenesisから説明するため、質量行列のモデルを用い、その予言をおこなった。

 

ニュートリノ振動の実験的研究や現象論的研究を受け、ニュートリノ振動を説明する理論的研究についても進展している。「ニュートリノ質量の起源」班は、世代構造が単なる繰り返しでないこと、つまり「twisting  family structure」が必要なこと、そしてそれを可能にする統一模型としてE6 模型が自然であることを示した。同時に世代間の階層性を実現する世代量子数として、弦理論が示唆するアノマラスU(1)が有望であることを指摘してきた。「ニュートリノ振動をめぐる理論的諸問題」班は、通常のHiggs doubletだけが質量を非常に軽く保つことができるというアイデアを実現する模型をストリング理論の示唆するE_6大統一理論の枠内で定式化した。「ニュートリノの質量行列とCPの破れの研究」班は、質量行列においてCPの破れを起こすマヨラナ位相、ディラック位相についてその起源を研究している。これらの関係を調べ、また、レプトジェネシスに現れる位相との間の関係を調べている。「ニュートリノ質量行列と統一模型」班では、SU(6)*SU(2)R模型にフレーバー対称性として巡回群と2項2面体群を適用し、クオーク・レプトンの質量と世代混合、右巻きニュートリノの質量のスケールを説明できる解として太陽ニュートリノ振動を説明する解(LMA−MSW解)を得た。

 

「レプトンフレーバーを破るミュー粒子崩壊の研究」班は、新しい角度からニュートリノ振動の起源に迫るため、レプトンフレーバーを破るミュー粒子崩壊の国際共同実験を開始しようとするものである。スペクトロメータ用超伝導磁石は製作が完了し、年内に実験場であるPSIにおいて試験運転を行う予定である。ミュー粒子のビームラインについては、昨年暮れと今年春に試験を行って、実験に必要な高品質の高強度ミュー粒子ビームが得られるデザインを確立した。一方、ガンマ線検出器は、シンチレーション光をキセノンを循環させて不純物(主に水)を除去することによりシンチレーション光の吸収長を十分長くする方法を確立し、予想通りの時間分解能、エネルギー分解能が得られることを証明した。

 

「フレーバー混合に関わる素粒子現象と標準模型を超える物理」班ではSU(5)GUTのシナリオで右巻きニュートリノの湯川相互作用が、スクォークの質量への繰り込み群に入ってくる効果によって、ハドロンセクターにどのようなCP対称性の破れが現れてくるかに関して、詳細な研究を行った。また、フレーバー対称性によって超対称粒子の質量が規制されているとき、どのような現象が期待できるかについて、研究を進めている。

 

(5)     領域を推進してきたうえでの問題点と対応措置

 

「大気ニュートリノ振動の精密研究」、「太陽ニュートリノ振動の精密研究」を行ってきたスーパーカミオカンデは、2001年11月に増倍管破損事故により、研究が一時中断した。しかし、残された増倍管約5200本を用いて装置を再建し、2002年10月から観測が再開した。増倍管の本数が当初の47%しかないため、大気ニュートリノ振動の観測に関しては特に支障はないが、太陽ニュートリノ観測に関しては低いエネルギーのデータが収集しにくいという問題点はある。しかし、本特定領域の研究目的に対しては、2001年までに取得したデータを精密に再解析することと新しい高いエネルギーのデータを加えることにより目的を十分果たすことはできると考えられる。

本領域は素粒子、宇宙線、原子核、天文の分野の違う広範な研究者の努力で推進されている。本年は、領域の最終年度であるが、領域設定当初に目標とした成果が達成できることが十分期待できる。

 

(6)     研究成果公表の状況(主な論文など一覧)

 

”Determination of Neutrino Oscillation Parameters with Atmospheric Neutrinos” K.Kaneyuki, for the Super-Kamiokande collaboration, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.) 112 (2002) 24.

”Experimental Results on Atmospheric Neutrinos in Super-Kamiokande-I”, M.Shiozawa, talk presented at the 20th International Cosmic Ray Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, May, 2002, Munich, Germany.

“Super-Kamiokande Evidence for muon-neutrino Oscillations”, T.Kajita, to be published in the Proceedings of the X International Workshop on “Neutrino Telescopes”, March 2003, Venice, Italy.

“Measurements of Proton, Helium and Muon spectra at small atmospheric depths with the BESS spectrometer”, K.Abe, T.Sanuki et al., phys. Lett. B 564 (2003) 8-20

“A precise three-dimensional calculation of the atmospheric neutrino flux”, M.Honda, T.Kajita, K.Kasahara, and S.Midorikawa, ICRC2003 Tsukuba

“Calculation of Muon fluxes at the small atmospheric depths”, K.Abe, M.Honda, T.Kajita, K.Kasahara, S.Midorikawa, T.Sanuki, ICRC2003 Tsukuba

”New Measurement of Primary Cosmic–rays and Atmospheric Muons with BESS–TeV Spectrometer”
K.Abe, Y.Makida, T.Yoshida, K.Yoshimura, et al., Proc. 23rd Intl. Symposium Space Technology and Science (Matsue) (2002) 2060–2065.

”Cosmic–Ray Proton and Helium Spectra Measured in BESS–TeV”, S.Haino, Y.Makida, T.Yoshida, K.Yoshimura et al., Proc. 28th Intl. Cosmic Ray Conf. (Tsukuba) (2003) 1825–1828.

“Determination of solar neutrino oscillation parameters using 1494 days of Super-Kamiokande I data” , Super-Kamiokande Collaboration (S. Fukuda et al.), Phys.Lett.B539:179-187,2002

“Solar neutrino precise measurements with Super-Kamiokande”, M. Smy for Super-Kamiokande collaboration, Proceeding of the XX international conference on Neutrino Physics and Astrophysics (2002).

“XMASS experiment”, presentation in the International workshop on Neutrino Oscillations and their Origin, February 2003, Kanazawa, Japan.

”Higgs Doublets as Pseudo-Nambu-Goldstone Bosons in Supersymmetric E6 Unification”, M.Bando and T.Kugo., Progress of Theoretical Physics 109(2003), 87—101.

”Neutrino Mass Matrix Predicted From The Symmetric Texture”, M.Bando and M.Obara, Progress of Theoretical Physics 109(2003), 995—1015.

”Non-Anomalous Flavor Symmetries and SU(6)*SU(2)_R model" , Y.Abe, C.Hattori, T.Hayashi, M.Ito, M.Matsuda, M.Matsunaga and T.Matsuoka, Prog. Theor. Phys. 108 (2002) 965. hep-ph/0206232. 

”Parameter Degeneracies in Neutrino Oscillation Measurement of Leptonic CP and T Violation”, H.Minakata, H. Nunokawa and S. J. Parke, Physical Review D66 (2002) 093012.

”CP Trajectory Diagram; A tool for pictorial representation of CP and matter effects in neutrino oscillations”, Minakata and H. Nunokawa, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A503 (2003) 218-221.

Predictions From The Fritzsch Type Lepton Mass Matrices”, M. Fukugita, M. Tanimoto, T. Yanagida, Phys.Lett.B562 (2003) 273-278.

Cosmological Sign Of Neutrino CP Violation”, P.H. Frampton, S.L. Glashow and T. Yanagida, Phys.Lett.B548 (2002) 119-121.

”Exploring the neutrino mass matrix at M_R scale”, T. Miura, T. Shindou, E. Takasugi, Phys.Rev. D66 (2002) 093002

”Universal Texture of Quark and Lepton Mass Matrices and a Discrete Symmetry Z3”, Y. Koide, H. Nishiura, K. Matsuda, T. Kikuchi, and T. Fukuyama, Phys. Rev. D66, 093006 (2002) 

”Neutrino oscillation data versus minimal supersymmetric SO(10) model”, T. Fukuyama and N. Okada, JHEP 0211, 011 (2002)

Impact Of U(E3) On Neutrino Models”, M. Tanimoto. May 2003. 11pp.Invited talk at 4th Workshop on Neutrino Oscillations and their Origin (NOON2003), Kanazawa, Japan, 10-14 Feb 2003., e-Print Archive: hep-ph/0305274

Neutrino Mass Matrix With Two Zeros And Leptogenesis”, S. Kaneko, M. Tanimoto . Oct 2002. 15pp., Published in Phys.Lett.B551:127-136,2003

“The Detector for the New mu -> e gamma Experiment MEG”, T. Mori (MEG Collaboration), The 31st International Conference on High Energy Physics, Amsterdam, the Netherlands, 2002.

”Status and future of mu -> e gamma: the PSI experiment", T. Mori, Nuclear Physics B111, 194 (2002)

”Development of a Liquid Xenon Photon Detector for a New Experimental Search for mu -> e gamma Decays" , T. Doke et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A503, 290 (2003)

”GUT relation in neutrino induced flavor physics in SUSY SU(5) GUT'', J. Hisano and Y. Shimizu, Phys.\ Lett.\ B {\bf 565} (2003) 183.