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T okai- to - K amioka 長基線ニュートリノ振動実験 T2K

090824 サマーチャンレンジ. T okai- to - K amioka 長基線ニュートリノ振動実験 T2K. 小林　隆 KEK 素粒子原子核研究所. T2K 実験. 世界最大強度の J-PARC でニュートリノを生成し、 世界最大のニュートリノ検出器スーパーカミオカンデで測定し、 ニュートリノ振動現象を詳細に調べることにより、 ニュートリノの重さ、世代間の関係を明らかにし、 極微の世界をつかさどる究極の法則や宇宙の物質創生の謎を探求すること。. J-PARC @JAEA. 2009 年 4 月実験開始. 現在の素粒子の世界像（標準模型）.

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T okai- to - K amioka 長基線ニュートリノ振動実験 T2K

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Presentation Transcript

  1. 090824 サマーチャンレンジ Tokai-to-Kamioka長基線ニュートリノ振動実験T2K 小林　隆 KEK 素粒子原子核研究所

  2. T2K 実験 • 世界最大強度のJ-PARCでニュートリノを生成し、 • 世界最大のニュートリノ検出器スーパーカミオカンデで測定し、 • ニュートリノ振動現象を詳細に調べることにより、 • ニュートリノの重さ、世代間の関係を明らかにし、 • 極微の世界をつかさどる究極の法則や宇宙の物質創生の謎を探求すること。 J-PARC @JAEA 2009年4月実験開始

  3. 現在の素粒子の世界像（標準模型） これまでほとんどの実験結果を説明。大成功！ ニュートリノ ３種類 質量は０と仮定(されていた) 弱い相互作用のみ しかし、説明できないことも多い なぜ3世代？ 質量や電荷を説明できない などなど 究極の理論の近似であろう？ 標準模型を超える新しい理論 素粒子屋の長年の夢 3

  4. 素粒子物理学の大目標 大統一理論 (Grand Unified Theory: GUT) 未知! 電弱理論 (Electroweak theory) 確立! 強い力:量子色力学 (Quantum Chromo Dynamics) 電磁気学 量子電磁力学(QED) 標準模型 ニュートン１９９８年７月号 全ての力を記述する一つの統一理論の構築 4

  5. ニュートリノと素粒子物理 素粒子物理の目的 究極の物質像、究極の法則、物質の起源を解明すること ニュートリノの謎 質量が異様に小さい neの質量　電子の約5桁以上 なぜ他のレプトン、クォークに比べてそんなに軽いのか？ 非常に軽いν質量を説明する有力なモデル シーソー模型(柳田1974) 非常に大きな質量を持つ粒子の存在を示唆 世代間の関係 クォークと大きく異なっているように見える。 クォークと同様ＣＰ対称性が壊れているのか否か？ 宇宙の物質反物質非対称性の謎解明のヒントになりうる。 ニュートリノの世代間関係や質量を解明することにより、大統一理論などの標準理論を越える物理や宇宙の物質起源のヒントが得られる可能性がある 5

  6. Neutrino Oscillation (in 2flavor approx.) 現象 元の種類のニュートリノが減少 (“Disappearance”) 別の種類のニュートリノが出現 (“Appearance”) 振動に特徴的なエネルギー分布 • Neutrino Mixing mass m1 m2 Weak eigenstates Mass eigenstates • Probability to change flavor L:flight dist、En:neutrino energy Dm2 1-P(nmnt) Disappearance (消失) sin22q L=250km, Dm232=3x10-3eV2 6 2 1 En(GeV) Takashi Kobayashi (KEK), PAC07 Dm2 Appearance (出現) sin22q

  7. ニュートリノ振動の直感的説明（音のうなり）ニュートリノ振動の直感的説明（音のうなり） 　　と　　 の質量が タウニュートリノ ミューニュートリノ ミューニュートリノ ミューニュートリノ 同じなら、「波長」が同じである 違うと、「波長」が異なる 波の伝播 時間 合成した波 （うなり） 7

  8. ne nm nt ニュートリノの３世代混合 フレーバー固有状態 質量固有状態 m1 ユニタリー行列 m2 m3 大気、加速器 (大気)、加速器 太陽、原子炉 ニュートリノ振動をつかさどる６個のパラメータ q12, q23, q13, d Dm122, Dm232, Dm132 Dmij=mi2-mj2 8

  9. ニュートリノの理解の現状 • 長い間質量は０だと信じられてきた。 • １９９８年スーパーカミオカンデによってニュートリノ振動現象が発見された。 • 有限な質量 • 世代間で混合 • その後K2K, KamLANDなどで続々振動確認 • わかってきたこと • 質量の(二乗)差の有限な値 • 混合の度合いの一部 大発見！ わかったこと q12~33oDm122~0.00008eV2 q23~45oDm232~0.0025eV2 q13<10o (Dm132~Dm232)? d ??? q13小さいけど未知！ dさっぱりわからない!

  10. 今後のニュートリノ物理における課題 • 3番目の振動。3世代間の混合はあるか？ • 未発見のnmne振動最後の未知の混合角 Ｔ２Ｋ実験 原子炉反ニュートリノ消失探索実験 • CP対称性は破れているか • 宇宙の物質反物質非対称性の起源のヒント？ 次世代加速器長基線ニュートリノ振動実験 • 質量のパターン 次世代加速器長基線ニュートリノ振動実験 • 絶対質量 • ニュートリノ振動で測れるのは２乗差のみ。 (トリチウム)ベータ崩壊スペクトル精密測定 ニュートリノレスダブルベータ崩壊探索実験 • ニュートリノと反ニュートリノは同じ粒子か？ • ニュートリノが極めて軽いことを説明する非常に高いエネルギーにおける理論解明のヒント？ ニュートリノレスダブルベータ崩壊探索実験 10

  11. 最も重要かつ緊急な課題: q13. なぜ? CPV & sign(Dm2) will be probed thru ne appearance in accel LBL Leading CP-odd d-d, a-a for + other terms.. Matter eff.: CP非保存の効果 (where sinq12~0.5, sinq23~0.7, sinq13<0.2) The size of q13 Decide future dir.! 1999日本(戸塚＋西川)が 世界で初めて着目T2K提案 11 Takashi Kobayashi (KEK), PAC07

  12. q13の測り方 原子炉ニュートリノによる13 • 反電子ニュートリノ：<E> ~ a few MeV  e消失実験 • P(ee) = 1- sin2213・sin2(1.27m231L/E) + O(m221/m231) •  Almost pure measurement of q13. • 消失信号が小さい 系統誤差勝負 加速器ニュートリノによる13 • ミューニュートリノ：<E> ~ O(GeV)  ne出現実験 • P(me) = sin2q23・sin2213・sin2(1.27m231L/E) + many terms(incl. d) •  Appearance measurement •  統計(＝ビームパワーｘ検出器サイズ)勝負 12

  13. Tokai-to-Kamioka (T2K) long baseline neutrino oscillation experiment Goal ne 出現の発見q13決定 nm消失の精密測定. Intense narrow spectrum nm beam from J-PARC MR Off-axis w/ 2~2.5deg Tuned at osci. max. SK: largest, high PID performance 1600nmCC/yr/22.5kt (2.5deg) 13

  14. ニュートリノビームの作り方 電流 p+ 磁場 p beam 半径 ｒ p+ 磁場 磁場強さ B 崩壊領域 収束 装置 標的 陽子 ビーム m nm p ビームダンプ 収束装置: 電磁ホーン Aluminum • 純粋なnmビーム (≳99%) • ニュートリノ／反ニュートリノはホーンの極性反転で切り替え 14

  15. 世界初: オフアクシスビーム Super-K. q Decay Pipe Target Horns 振動確率＠ Dm2=3x10-3eV2 First Application (ref.: BNL-E889 Proposal) OA0° nm flux p decay Kinematics OA2° OA2.5° 0° OA3° En (GeV) 1 2° 2.5° 3° 0 8 5 Statistics at SK (OAB 2.5 deg, 1 yr, 22.5 kt) ~ 2200nmtot ~ 1600nmCC ne~0.4% atnmpeak 0 2 pp (GeV/c) • Quasi Monochromatic Beam • x 2~3 intense than NBB • Tuned at oscillation maximum 15

  16. ニュートリノ施設 電磁ホーン 標的(グラファイト) ニュートリノモニター棟 • 建設ほぼ終了 • 機器の立ち上げ調整中 • ２００９年4月からビーム受入れ開始 CERNから寄贈された UA1磁石(1000ton). ニュートリノモニター棟内に 設置済み 一次陽子ビームライン(超伝導) ビームダンプ ターゲットステーション完成 16 Decay volume completed

  17. 280m 前置検出器(ニュートリノモニター) 17

  18. INGRID: 軸上検出器 １６モジュール中７モジュール完成、設置済み 宇宙線を観測中 残りのモジュールも夏の間に設置 18

  19. Off-axis 検出器 製作、組立、試験進行中。 9月ごろ設置開始 冬以降のビームに備える 12-FEM board stack-up before burn-in phase FGD(カナダ、日) TPC(カナダ・仏) エレクトロニクス(英・仏、加) 19 SMRD(米、ポーランド、ロシア) P0D(米) ECAL(英)

  20. スーパーカミオカンデ ５００００トンの容積の水タンク　（４２ｍ高さ、４０ｍ直径） ３２０００トン有感度体積 ２２０００トン有効体積 １１１４６本の２０インチ光電子増倍管 光電面被覆率　４０％ 地下１０００ｍの神岡鉱山内 （April 1996 commissioned） 41.4m 40m 20

  21. 期待されるニュートリノの数 (１日に2兆5千万個) 21

  22. ニュートリノ(反応)の捉え方 反応で出てきた荷電粒子が出すチェレンコフ光を検出 光センサー 荷電粒子が 媒質中の光速 より速く走るとき に放射される。 v:荷電粒子の速度 c:光速 n:屈折率 円錐状に放射

  23. J-PARCから来たニュートリノを識別：ＧＰＳ GPS (１０００万分の１秒の誤差) ニュートリノ飛行時間 約１０００分の１秒 今うったよ 今きたよ SK J-PARC • J-PARCから　　　　　１日　約10個 • 大気ニュートリノ　　　１日　約１０個 到着時間で区別する

  24. ニュートリノの種類を識別するには？ 電子ニュートリノ μニュートリノ τニュートリノ 電子 μ粒子 τ粒子 生成された 粒子の種類で 識別 Q３:τ粒子の質量を1.8GeV/c2として、一番したの反応が起こるために必要な最低のニュートリノエネルギーは？ 24

  25. mとeの識別 m m 素直に走るためパターンがきれいなリング e- e+ g e- e e- e- g e- 電磁シャワーを起こすためパターンが汚い 25

  26. nmne振動で予想される信号と感度 電子ニュートリノ候補事象 信号事象 シミュレーション １０倍以上感度向上 背景事象 sin22q13=0.1, 2.5deg, 750kWx5yr 26

  27. q23, Dm232 Sensitivity：μニュートリノ消失 Dm2 = 3.0 x 10-3 eV2 • Goal : • d(sin22q23)~0.01, • d(Dm223) <1×10-4 [eV2] M.Diwan, Venice, Mar.2009 m-like(ミューらしい)事象 --68%CL --90%CL --99%CL w/o osc. # of events (arb. unit) 27

  28. T2K experiment started!

  29. T2K beamline started operation! First shot after turning on SC magnets at 19:09, Apr.23, 2009 Muon monitor signal Ion chamber Behind 5GeV equiv material (dump) Silicon detector Scintillator (for commissioning) First observation of muons produced in neutrino beamline

  30. T2K Mid-term Schedule June~Sept, 2009 (during scheduled shutdown) Horn 2 and 3 installation and operation test On-axis INGRID detector completion Ready to accept beam on Oct. 10 Fall~Winter, 2009 Beam/Detector commissioning Winter JFY2009 ~ Summer 2010 Want to accumulate O(100kWx107s) by Summer 2010 First physics results in 2010  Exceed sensitivity of present world record result from Chooz experiment After Summer 2010 Physics data taking with > a few 100kW Next milestone: 1~2MW.yr Final goal: 3.75MW.yr (approved by PAC) 30

  31. Quest for the Origin of Matter Dominated Universe v Water Cherenkov One of the Main Subject of the KEK Roadmap Discovery of the ne Appearance Ｔ２Ｋ (２００９~) Discovery of Lepton CP Violation Proton Decay Neutrino Intensity Improvement Establish Huge Detector Technology Construction of Huge Detector Huge Detector R&D Liquid Ar ＴＰＣ ~Mt ~100kt

  32. まとめ • T2K実験 • 原研東海村のJ-PARCを用いて、これまでの約１００倍強いニュートリノビームを生成。 • ２９５ｋｍ先のスーパーカミオカンデで検出 • ニュートリノ振動現象の精密測定を通して、物質の究極の世界を探る。 • ５年間(２００４年度～２００８年度)かけて原研敷地内のニュートリノ生成装置を建設。 • ２００９年４月実験開始。 • ニュートリノ物理の分野はこれから。 • ニュートリノはまだまだ謎がおおい。 • クォークの例をみると数十年はやることがありそう。 • 皆さんが活躍できるチャンスはたくさんあると思います。 • 興味のある方は大学の素粒子実験の研究室のドアをたたきましょう。いろいろ教えてくれるはずです。

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