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領域略称名:ニュートリノ
 
領域番号:408
 

 

(別紙様式)

 

 

 

 

 

 

 

平成14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14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)  領域全体の研究目標

 

今年から後半2年の研究に入った。領域全体の研究目標「ニュートリノ振動とその起源の解明」は領域発足の時から変わっていない。98年にスーパーカミオカンデグループにより大気ニュートリノ振動が発見された。これにより、ニュートリノが有限質量を持つ事が明らかになった。これは、素粒子物理学の今後の方向を示し、宇宙物理学・天文学などの近隣分野に深い影響を与える重大な成果であり、人類の知見を「全く新しい極微の世界」へと導く突破口であると考えられる。本研究領域では、この突破口を拡大し、日本の関連する諸分野(宇宙線、素粒子、天体、核物理)の研究者の総力を結集して、1)大気ニュートリノ振動の研究、2)太陽ニュートリノ振動の研究、3)ニュートリノ振動の理論的研究、3)ニュートリノ振動とレプトンフレーバーの破れの研究、を行ない、ニュートリノ振動の起源の解明に迫ることを目標としている。

 

(2)  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、前回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

. A01の3研究班は、大気ニュートリノの精密研究に必要な一次宇宙線の強度のデータの交換、大気ニュートリノ計算コードの整備を行うため、頻繁に情報の交換、小規模な研究会をおこなっている。

 

2.「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」班は「BESS測定器による宇宙線μ粒子絶対流束高度変化の精密測定」班と共同でBESS測定器に関わる開発と観測実験の実施を行っている。

 

3.「大気ニュートリノ振動の精密研究」班と「太陽ニュートリノ振動の精密研究」班はデータ解析からニュートリノ振動まで幅広い、継続的議論をしている。

 

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、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.「ニュートリノの質量と起源」班「ニュートリノ振動をめぐる理論的諸問題」班「ニュートリノ質量行列と統一模型」班、「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」班は宿泊型Summer Instituteを企画実行している。この研究会には、実験研究班を含む、他の研究班からも参加する。「太陽ニュートリノ振動の精密研究」班や「大気ニュートリノ振動の精密研究」班で得られる最新の研究結果は、即座に本研究班で詳細に検討されている。

 

6.「レプトンフレーバーを破るミュー粒子崩壊の研究」班「フレーバー混合に関わる素粒子現象と標準模型を越える物理」班は、「ニュートリノ質量の起源」等の研究班と密接に連絡を取り合って研究を遂行している。

 

7.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という愛称で呼ばれ、国際的にも知られる会議となっている。

 

(3)  領域内の進展状況とこれまでの主な研究成果

 

「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2計画研究は、平成14年7月までにBESS測定器の運動量分解能向上を目的とした新しい飛跡検出器の開発・製作と信号処理系の実装を完了し、その改良型BESS測定器(BESS-TeV測定器)による宇宙粒子線観測実験を今後の研究期間内で実施する状況となった。

またBESS測定器による地表宇宙線観測のデータの解析を行い、海抜30m360m2770mに於ける100 GeV/c以下のミュー粒子絶対流束を学術雑誌に投稿した。また大気最上層の一次宇宙線強度については昨年度の米国での実験で得られた海抜24kmから37kmに於けるミュー粒子絶対流束の解析を進めて、中間結果を5月に松江市で開催されたInternational Symposium on Space Technology and Scienceに於いて報告した。さらに地表での反陽子流束、大気上層での低エネルギー陽子流束の残留大気圧依存性などについては公表の準備を進めている。

 

「大気ニュートリノ振動の精密研究」班においては、ミューニュートリノとタウニュートリノの2種類のニュートリノの質量の差と混合角がさらに精密さが増した。本研究を始める前は、ミューニュートリノが振動して減っていることはわかっていたが、ミューニュートリノがタウニュートリノへ本当に振動しているのか、相互作用をしないステライルニュートリノへ振動しているのかは不明であったが、タウニュートリノに振動しているという強い証拠を得始めた。また、実際ニュートリノ振動で生成されたタウニュートリノ反応事象を探す解析を行い、予備的ながらタウニュートリノ反応がニュートリノ振動の予想通りの頻度でおこっているとして矛盾ないという結果を得た。

 

「太陽ニュートリノ振動の精密研究」班においては、2001年6月、新しいフラックス、スペクトル、昼夜のフラックスの違いを出版した。このとき、同時に電子ニュートリノの荷電カレントのみを測定したSNOが結果を出し、電子散乱で電子ニュートリノのほかにもミューおよびタウニュートリノが捕まえられるスーパーカミオカンデの結果とあわせ、太陽ニュートリノも確実に振動しているということを確立した。低エネルギーニュートリノ検出器の開発は継続して行われ、現在、100kgのテスト用検出器が作られている。

 

「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、進化史を仮定せずに、かつパラメ−タを残すことなく、日震学データに基づいて構築しそれに基づく太陽ニュ−トリノフラックスの理論値の正確な決定と誤差の評価を行った。誤差評価は、音速分布、密度分布のみならず、核反応率等の物理素過程の不定性も考慮して、行った。その結果、陽子-陽子反応の断面積の不定性による影響が一番大きいことが明らかとなった。ニュートリノ・フラックスは観測値に比べ、有意に大きく、ニュートリノ問題が、太陽モデルの不備にあることではないことを決定的とした。

 

「ニュートリノ振動現象の研究」班では、ニュートリノ振動におけるCP位相効果と物質効果を区別して同時に図示できる「CP軌跡ダイアグラム表示」の開発、牧-中川-坂田行列の(1-3)行列要素の新しい高精度測定方法の提案、真空模倣機構の研究を行い、基線が十分短い場合には、振動確率における物質効果の寄与が無視できることを、T-evenとT-oddの非自明な最低次で示した。また、不活性ニュートリノを含む四種類混合の研究を行った。また、密度一定の物質中での3世代の場合のニュートリノ振動確率に対する厳密な表式の導出方法を見通し良いものに改良し、さらにN世代の場合や、磁場との相互作用がある場合にも拡張できることを示した。

 

「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」「ニュートリノの質量行列とCPの破れの研究」の各班は、ニュートリノ2つの大混合角をいかに物理としてとりこんで統一理論につなげていくかということが主題である。そのひとつの模型は、弦理論にその根拠を持つE_6模型である。この方向で、ここ2年あまり、九後・吉岡の諸氏と共同研究をしてきた。また、ニュートリノの質量行列とCPの破れ、ニュートリノ振動とTの破れ、マヨラナの性質を探る過程の研究、ニュートリノ混合と大統一理論などの研究を行った。

 

「レプトンフレーバーを破るミュー粒子崩壊の研究」班に本研究は、新しい角度からニュートリノ振動の起源に迫るため、日本の主導によって、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。超伝導線材をコイル状に巻く作業がほぼ終了し、補償用コイルの巻線も完了した。ガンマ線検出器の大型プロトタイプによって様々な実験が進行中である。そのひとつは、宇宙線および放射線ソースを使ってシンチレーション光の減衰を測る方法を開発し継続的に測定を行い、最終的に減衰長を100cmまで長くすることができた。減衰長も考慮した検出器デザインの最適化を行いながら、純化装置も含めた本実験用の検出器の詳細設計を始めている。

 

「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」班では実験で得られた情報を生かしつつ理論的な研究を進めることにより、フレーバーの起源に迫り得るような研究を行う。超対称理論において、レプトンの超対称対のもつフレーバー混合がLHC実験でどのようなシグナルとして見えるか調べた。また、ある種の U(1)フレーバー対称性が陽子崩壊の分岐比に関してどのような予言をもたらすかを調べた。その結果、最小SU(5)超対称大統一模型などとはことなり、中性K中間子とミューオンや陽電子への崩壊モードが大きくなることを見た。

 

(4)  今後の領域の推進方策

 

本領域の実験研究課題の大きな目的の一つは、素粒子、原子核、宇宙線、天文の総力により、大気、太陽ニュートリノ絶対強度の精度良い決定を軸にし、大気、太陽ニュートリノ振動パラメータの精密決定を行うことである。この目標に関しては、大気ニュートリノ、太陽ニュートリノのパラメータがほぼ決まり始めた。現在までの方策を進めることで本領域終了までに成果が挙げられると思われる。

さらに現象論、理論によるニュートリノ振動の起源の解明も着実に進んでいる。そして、ニュートリノ振動と同じ起源をもつレプトンフレーバーの破れの研究からも相補的情報を得る。

本研究領域は、すでに、研究計画相互間の有機的連携をもとに、ニュートリノ振動の起源の解明に向け活発な活動と成果をあげており、今後も今まで同様に推進してゆく。特に、後半2年に入ったので、研究のまとめに向かって、よりいっそうの連携を深める

今後とも、個々の計画研究による研究会とともに、年一回の総括班主催による全体の研究集会を行う。研究者間の情報交換および、情報の一般公開のため、ニュースレターの発行を行う。また、インターネット上には、home pagehttp://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/tokutei/index.html)をより一層充実し、成果の公表も行ってゆく。

 

今後の領域を推進するための問題点と対応策

 

昨年11月のスーパーカミオカンデ(SK)の増倍管破損事故により、現在、SKのデータの収集が中断している。部分復旧作業は、9月頃には取り付け作業は終了し、注水しながらの部分観測が可能になり、12月には本格観測が再開できる予定である。これによる、データ量の減少は否めないが、目標は、今までにとったデータをより良い方法で解析することで達成できるものと思われる。

その他には大きな問題点はない。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。これらの努力を集約するために、個別の研究会のみならず全体の会議を年に一度おこなっている。またこの会議は、国際会議として行い、国際的に我々の研究がどのような位置にあるかを自己評価してゆく。

 

(5)   研究成果公表の状況(主な論文など一覧)

 

Precise Measurement of Cosmic–Ray Proton and Helium Spectra with BESS

T.Sanuki et al., AstroPhys. J. 545(2000)1135–1142.

 

Successive Measurements of Cosmic–Ray Antiproton Spectrum in a Positive Phase of the Solar Cycle
T.Maeno et al., Astroparticle Phys. 16 (2001) 121–128.

 

Precise Measurements of Cosmic–Ray Hydrogen and Helium Spectra with BESS
T.Sanuki et al., Adv. Space Res. 27 (2001) (4)761–(4)766.

 

Measurements of Cosmic–Ray Low–Energy Antiproton and Proton Spectra in a Transient Period of Solar Field Reversal
Y.Asaoka et al., Phys. Rev. Lett. 86 (2002) 051101.

 

Measurements of atmospheric muon spectra at mountain altitude
T. Sanuki et al., accepted for publication in Phys. Lett. B

 

Precise Measurements of Atmospheric Muon Fluxes with the BESS Spectrometer
M.Motoki et al., accepted for publication in Astroparticle Phys.

 

Tau neutrinos favored over sterile neutrinos in atmospheric muon neutrinos,

S.Fukuda et al., Phys. Rev. Lett. 85 (2000) 3999.

 

Observation of atmospheric neutrinos

T.Kajita and Y.Totsuka, Rev. Mod. Phys. 73 (2001) 85.

 

Recent results in Super-Kamiokande and K2K

Y.Itow et al., Phys. Scripta T93 (2001) 53.

 

Solar B-8 AND HEP Neutrino Measurements from 1258 Days of

Super-Kamiokande Data.

S. Fukuda et al., Phys. Rev. Lett. 86, 5655 (2001)

 

Constraints on Neutrino Oscillations using 1258 days of Super-Kamiokande

Solar Neutrino Dsta.

S. Fukuda et al., Phys.Rev.Lett.86, 5656 (2001)

 

Determination of Solar Neutrino Oscillation Parameters using 1496 Days of

Super-Kamiokande I Data

S. Fukuda et al., Phys.Lett.B539, 179 (2002)

 

N-16 as a Calibration Source for Super-Kamiokande

E. Blaufuss et al., Nucl. Instr. Meth. A458, 638 (2001)

 

Solar models with helioseismic constraints and the solar neutrino problem

Watanabe, S. & Shibahashi, H.,

Astron. Soc. Japan, 53, 565-575 (2001).

 

Seismic determination of the solar Internal structure and the solar neutrino

problem,

Watanabe, S. & Shibahashi, H.,

Astron. Soc. Japan, submitted.

 

Constraint on solar axions from seismic solar models,

Watanabe, S. & Shibahashi, H.,

Phys. Letters, submitted.

 

Solar structure and the neutrino problem,

Shibahashi, H.,

in New Developments in Astrophysical Fluid Dynamics,

eds. M. J. Thompson \& J. Christensen-Dalsgaard

(Cambridge University Press, Cambridge), in press.

 

ニュートリノ・日震学・太陽モデル,

柴橋博資, プラズマ・核融合学会誌, 78, 797-507 (2002)

 

Exploring Neutrino Mixing with Low Energy Superbeams

H. Minakata and H. Nunokawa:

Journal of High Energy Physics 0110 (2001) 001-033.

 

Method for Determination of |U_{e3}| in Neutrino Oscillation Appearance Experiments

T. Kajita, H. Minakata and H. Nunokawa:

Physics Letters B528 (2002) 245-252.

 

CP and T Trajectory Diagrams for a Unified Graphical Representation of Neutrino Oscillations

H. Minakata, H. Nunokawa and S. J. Parke:

Physics Letters B537 (2002) 249-255.

 

Correlations of errors in measurements of CP violation at neutrino factories,

J. Pinney and O. Yasuda:

Physical Review D64 (2001) 093008.

 

Vacuum mimicking phenomena in neutrino oscillations,

O. Yasuda:

Physics Letters B516 (2001) 111-115.

 

佳境に入ったニュートリノ振動実験

南方久和 パリティ Vol.17, No. 04 (2002) 32-39.

 

E(6) UNIFICATION WITH B - LARGE NEUTRINO MIXING.

Masako Bando, Nobuhiro Maekawa,Prog.Theor.Phys.106:1255-1274,2001

 

FERMION MASS HIERARCHIES AND SMALL MIXING ANGLES FROM EXTRA DIMENSIONS.

Masako Bando et al., Phys.Rev.D63:113017,2001

 

NOVEL RELATIONS BETWEEN LEPTON AND QUARK MIXINGS.

Masako Bando, Taichiro Kugo, Koichi Yoshioka, Phys.Lett.B483:163-167,2000

 

MASS MATRICES IN E(6) UNIFICATION.

M. Bando, T. Kugo, K. Yoshioka, Prog.Theor.Phys.104:211-236,2000

 

Exploring the neutrino mass matrix at $M_R$ scale

Takahiro Miura, Tetsuo Shindou, Eiichi Takasugi

hep-ph/0206207

 

The matter fluctuation effect to T violation at a neutrino factory

Takahiro Miura, Tetsuo Shindou, Eiichi Takasugi, Masaki Yoshimura

Phys.Rev. D64 (2001) 073017

 

PHENOMENOLOGICAL ANALYSIS OF LEPTON AND QUARK MASS MATRICES.

H. Nishiura, K. Matsuda, T. Kikuchi, T. Fukuyama, Phys. Rev. D65 097301 (2002)

 

Development of liquid xenon scintillation detector for new experiment to search forμ→eγdecays

W. OOTANI et al., Proc. 10th Symposium on Radiation Measurements and Applications, May 21-23, 2002, Michigan, USA

 

The μ→eγ Experiment -- Goals and Status

T. Mori et al. (Collaboration forμ→eγ Experiment at PSI)

Report to the Review Committee for the μ→eγ Experiment, PSI, Switzerland, July 16 – 17, 2002.

 

The MUEGAMMA experiment at PSI, status and progress

G. Signorelli (研究協力者) et al.,

The 4th International Workshop on Neutrino Factories based on Muon Storage Rings (NuFACT02), London, July 1-6, 2002.

 

Status and Future of μ→eγ: the PSI Experiment

T. Mori, Proc. the fifth KEK Topical Conference -- Frontiers in Flavor Physics --

November 20-22, 2001, KEK, Tsukuba, Japan.

 

Absolute Scintillation Yields in Liquid Argon and Xenon for Various Particles

T. Doke et al., Jpn. J. Appl. Phys., 41(2002).

 

U(1) flavor symmetry and proton decay in supersymmetric standard model,

M. Kakizaki and M. Yamaguchi, JHEP  0206 (2002) 032

 

Muon magnetic dipole moment and Higgs mass in supersymmetric SU(5)  models

M. Endo and T. Moroi, Phys. Lett.  B525 (2002) 121

 

Flavor mixing in slepton production at the large hadron collider

J. Hisano, R. Kitano and M.M. Nojiri, Phys. Rev. D 65 (2002) 116002.

 

Lepton electric dipole moments in non-degenerate supersymmetric seesaw models

J.R. Ellis, J. Hisano, M. Raidal and Y. Shimizu, Phys. Lett. B528 (2002) 86