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大型地下実験の現状と将来

大型地下実験の現状と将来. 東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設 塩澤　真人. Thanks to 陽子崩壊・ニュートリノ検出器関係者 XMASS グループ KamLAND グループ CANDLES グループ. 陽子崩壊探索とニュートリノ実験（ 0 nbb 探索） 　これまで 　次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器 2 重ベータ崩壊探索実験. ニュートリノ混合と質量の発見. 特に最近 10 年間での飛躍的な進展。. 大気ニュートリノ nm  nt Super-K 太陽ニュートリノ n e  nm,nt

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大型地下実験の現状と将来

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  1. 大型地下実験の現状と将来 東京大学宇宙線研究所 神岡宇宙素粒子研究施設 塩澤　真人 Thanks to 陽子崩壊・ニュートリノ検出器関係者 XMASSグループ KamLANDグループ CANDLESグループ 陽子崩壊探索とニュートリノ実験（0nbb探索） 　これまで 　次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器 2重ベータ崩壊探索実験 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  2. ニュートリノ混合と質量の発見 特に最近10年間での飛躍的な進展。 • 大気ニュートリノ nmnt • Super-K • 太陽ニュートリノ nenm,nt • Homestake, Kamiokande, SAGE, GALLEX, Super-K, SNO, Borexino • 原子炉ニュートリノ anti-neanti-nm,nt • CHOOZ, KamLAND • 加速器ニュートリノ nmnt • K2K, MINOS • ニュートリノ質量 • Dm212=(7.65+0.23-0.20)x10-5eV2 • |Dm223|~|Dm231|=(2.40+0.12-0.11)x10-3eV2正負（3世代の階層構造）は未解明 • 混合角 • sin2q12=0.304+0.022-0.016 • sin2q23=0.50+0.07-0.06 • sin2q13<0.04上限値のみ • CPフェーズ (Dirac 1 and Majorana 2) • d, a1, a2全て未解明 • Dirac or Majorana? 未解明 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  3. ニュートリノ混合 UはMaki-Nakagawa-Sakata混合角 レプトン エラーはsinq13とd起源のみ表示。エラーなし項の測定エラーは5－15%。 VはCabibbo-Kobayashi-Maskawa混合角 クォーク 測定エラーは<1%。最大で5%。 |UMNS|は非対角成分も非常に大きい。|VCKM|~I なぜか？ ニュートリノはまだ未測定のパラメータも存在する。 q13,d,a1,a2 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  4. レプトンとクォークの質量 ＞106 シーソー機構？ （標準階層構造を仮定） • 混合や質量を説明するモデル構築のために必要な測定はなにか？ • q13, d, a1, a2の測定。＋他の混合角の精度向上？ • 　ニュートリノ質量（階層構造の解明も） • 　マヨナラ性　n = n ?　（質量の起源） 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  5. + e u p u p0 d d u p u K+ d d • 　クォーク＋レプトン両方同時説明する必要あり • 　超高エネルギーの物理の存在（ニュートリノ質量の起源？） 大統一理論（GUT)へ ３つの相互作用の統一、クォーク・レプトンの統一 大きなゲージ対称性、SU(5), SO(10), E6… with SUSY? 多くの間接的な（実験的・理論的）示唆はあるが、確定的な証拠はない。 モデルの詳細を決めまでにいたらず。 • 陽子崩壊探索はGUTの直接的な検証 • GUTモデルの排除 • 　発見  GUTの存在の証拠、モデルの詳細情報を引き出す 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  6. Babu@NNN08 • 　これまでの陽子崩壊のベストな制限値は、Super-Kから。 • 　約6年のlivetimeで、陽子寿命の制限を10~30倍改善。 • 　感度を上げる（大型化）により、より多くのモデルの検証が可能になる。 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  7. 次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  8. ハイパーカミオカンデ 神岡町栃洞坑 リングイメージング水チェレンコフ検出器 Height 40m Super-K 50kton total 22kton fiducial Length 250m Height 54m Dia. 43m Hyper-K 1Mton total vol. 540kton fiducial vol. 　内水槽 {D43m x L(5x50m)} x 2 PMT ~100,000 (20inch) (センサーの被覆率20％） 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  9. 陽子崩壊pge+p0 channelの探索 Selection Criteria • 2 or 3 Cherenkov rings • All rings are showering • 85 < Mp0 < 185MeV/c2 (3-ring) • No decay electron • 800 < Mproton < 1050 MeV/c2 Ptotal < 250 MeV/c *for Next Generation, tighter cut Ptotal<100MeV/c may be applied g g e+ SK-II (half PMT) forward-backward display for pe++p0 • 　物理量の測定精度は、被覆率40%と20%でほぼ同じ • 陽子崩壊の検出感度とバックグラウンドも同程度 60% 60% 39% RMS resolution SK-I: 28.7 MeV SK-II: 38.4 MeV 38% Proton Mass Number of rings 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  10. pe+p0期待される感度 Normal cut: 90%CL 3s CL Tight cut: 90% CL 3s CL • Ptot < 250 MeV/c (SK cut) • BG=2.2 ev/Mtonyrs, eff.=44% • Ptot < 100 MeV/c (tighter cut) • BG=0.15ev/Mtonyrs, eff.=17.4% HK 10 years BGはK2K n beamで確認。 PRD77:032003,2008 SK-I + SK-II 0.14Mtyr  8.2x1033 yrs @ 90% CL HK(0.5 Mt):10years 5.0Mtyr  ~1035 yrs @ 90% CL 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  11. pnK+sensitivity K+p+p0 backward p+ g g HK 10 years SK-I (full density) forward-backward display SK-I + SK-II 0.14Mtyr  2.8 x 1033 yrs @ 90%CL HK(0.5 Mt):10years 5Mtyr  ~2 x1034 yrs @ 90% CL 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  12. その他の物理 • Far Detector in future T2K • nT2K@SK = nT2K@HK, Hyper-K/Super-K~20 • CPフェーズの測定を目指す。 • 大気ニュートリノの精密観測 • d, q13, 質量階層構造 (sin2q13 >~0.01) • q23<p/4 or q23=p/4 or q23>p/4 • 超新星爆発ニュートリノ • 　爆発のメカニズムの解明 • 　質量階層性？ • 太陽ニュートリノ • 　昼夜のフラックス差（地球によるニュートリノ振動の測定） • Hepニュートリノの測定 詳細は中家さんの発表 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  13. 大規模地下空洞立地可能性調査 鉛断層 ボーリング孔での調査 (horizontal Direction：N79ﾟE，Length：250m) ・ボアホールTV観察による亀裂の頻度、方向調査 ・孔内載荷試験による、岩盤の変形係数と弾性係数の測定 Borehole Loading Tests at 6 Points トンネル(Direction：N17ﾟW，Surveyed length：271.9m) 亀裂調査、岩石採取（物性測定） Hyper-K候補地 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  14. 大空洞の安定性解析 Direction:N-S 55mm (mm) Anisotropic Elastic Analysis 2.5m 2.5m • クラックテンソル解析 • 　亀裂岩盤を異方弾性体として表現した有限要素解析 • 　初期応力は土被り圧、等方と仮定 • 　水槽の向きは南北方向 中心部でのせん断ひずみ分布 （黄色が0.3%） 空洞壁の変位分布 （赤が~100mm） 変位が中央で55mm せん断ひずみ＞0.3%が2.5ｍ 水槽の方向は南北方向がベター（亀裂が東西方向に多い） 大空洞の実現可能性を示した。 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  15. Hyper-K 建設コスト（？） 詳細な検出器デザイン、開発、見積もりが必要 以下は現時点で可能と思われる超概算 • 空洞掘削 1.3Mm3 @\20,000 260億円 • 水槽外壁（プラスチック） 40,000m2 @\40,000 16億円 • PMT支持＋上部構造 SK x 10 40億円 • PMT＋防爆ケース＋ケーブル 100,000 @\350,000 350億円 • エレクトロニクス 100,000 @\30,000 30億円 • 外水槽 10億円 • その他 20億円 • 合計 726億円 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  16. R&Dアイテム（3年で絞込み、＋２年で完了） • PMT＋読み出しエレクトロニクス • Hybrid Photo Detector (光電面＋シリコン検出器) • 大型High QE PMT • 最適なPMTサイズの決定（QE, 防爆ケース） • 読み出しエレクトロニクス • 水中でのAD変換？ ケーブルコスト（~10億円）削減？ • 防爆ケース（デザイン＋試験？） • 取り付け方法（コスト＋建設時間） • 水槽壁 • プラスチック壁と水槽内構造体との取り合い • 純水の循環サイクル低下の影響 • 透過率低下の問題がないか？水槽内物質のクリーン化？循環システム増強？ • 空洞掘削 • 初期圧力測定や追加ボーリングが必要か？専門家との議論。 コストダウンと建設時間短縮が重要なテーマ 国際協力の可能性の議論もされている 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  17. Hyper-Kタイムテーブル R&D optionの絞込み R&D完了 Hyper-K建設 7~10年 Hyper-K運転 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  18. 大型液体アルゴンTPC検出器 大型化(>~100kton)が可能になれば、granularity、エネルギー精度、imaging能力に優れたニュートリノ・陽子崩壊検出器になる。 10L0.4ton R&D in KEK • pe+p0 • e=45%, 1BG/Mtyr • 4x1034 years with 10 years data • pnK+ • e=97%, 2BG/Mtyr • 5x1034 years with 10 years data ICARUS T600運転開始予定 • H20m x D80m, ~100kton • 隠岐の島　（on-axis of T2K beam） • 　盛り土～１００ｍ 2009年6月1日　学術会議シンポジウム JHEP04(2007)041

  19. 0nbb探索 e– e– i  Uei Uei  Mass X i Mixing matrix i W– W– Nuclear Process Nucl’ Nucl Amp[0]   miUei2 m ニュートリノ質量（階層性）に依存する CPフェーズにも依存 研究テーマ； ニュートリノはマヨナラ粒子か？　　n = n ? ニュートリノ質量（階層構造）の解明 シーソー機構、宇宙の物質生成機構とも関係 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  20. 1. XMASS (Xenon MASSive detector)実験の概要 XMASS phase II Phase Iと並行にR&D 直径2.5m, 20トン以上 暗黒物質探索 pp ニュートリノ 二重ベータ崩壊 S. Moriyama XMASS phase I 今後4年計画 約1トン 大型極低BG検出器によるdiscoveryを狙う実験計画 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

  21. Phase IIにおける二重ベータ(0nbb)崩壊探索 S. Moriyama Dm212 • ニュートリノがマヨラナ粒子であるか。物質反物質非対称性にも深く関係している可能性。 1 Dm223 Dm223 in eV 濃い領域はbest fit値の場合 Dm212 10-1 NormalInverted 0nbbの寿命 10-2 目標値~1027y 10-3 10-4 10-4 10-3 10-2 10-1 1 Lightest neutrino mass in eV A. Strumia and F. Vissani 2009年6月1日　学術会議シンポジウム 光センサの放射線をさらに抑える

  22. カムランド1000 カムランド200 カムランドは確立した技術を使って安価に世界最高感度を実現できる。 較正装置 Xe 1000 kg含有 発光量40％改善 集光率80％向上 光センサー 半径1.35mバルーン 半径6.5mバルーン 半径9mステンレス球 136Xe含有 液体シンチレータ 液体シンチレータ バッファーオイル 純水 K. Inoue 将来計画 カムランドの中心に136Xeを溶かした液体シンチレータを吊す。 将来の拡張性 １年で世界最高感度を達成した後、 ５年で縮退構造を検証 (~60meV) 発光量の向上と集光率の向上。 極低放射能環境の活用を容易にするため導入口を拡張および補強。 Xe 200 kg含有 KKDCクレイム 縮退構造 逆階層構造 標準階層構造 カムランド200 直接検証 カムランド1000 消去法で確認 ○原子炉反ニュートリノによるニュートリノ振動の精密測定 ○地球内部起源反電子ニュートリノ観測によるニュートリノ地球物理の展開 　を並行して行う。カムランド1000では観測精度も向上する。

  23. KKDCクレイム 1000 kg 5年 m1 m2 m3 204kg5年 カムランド 136Xe 縮退構造 逆階層構造 標準階層構造 m2 100meV 60meV CUORE 130Te m3 将来の拡張 mββ m1 30億円以上 のコスト 純化のR&Dが必要 (2011-) プロトタイプ稼働率実績64% 200 kg 5年 1年 カムランド 136Xe mββ 100kg5年 >60meV >10meV SuperNEMO 150Nd/82Se 6億円 mββ (2012-) m2 純化・150Nd濃縮のR&Dが必要 (2013-) m3 m1 ニュートリノレス二重β崩壊の感度 K. Inoue 1eV 100meV 10meV 10kg 100kg 1ton 必要重量

  24. CANDLES CAlcium fluoride for studies of Neutrino and Dark matrters by Low Energy Spectrometer • 大型化：CaF2結晶 • 減衰長≧10m • 低BG化：CANDLES • 遮蔽：液体シンチ、水 • 低BG結晶開発 • パルス波形 • 高分解能化 • PMT + ２層システム • mbb~10-2 eV まで Liquid Scintillator (Veto Counter) CaF2(Pure) Pure water 4月10日ヒアリング Large PMT H. Ogawa

  25. 研究計画 o o o o o o CANDLESシリーズ mn (eV) ELEGANTS VI CaF2 (6.4 kg) 大塔 48Caのbb崩壊 の全てを研究 10 IV：大型科研費 CaF2 (3.4ｔ) 濃縮法の最適化 縮退 領域 III:基盤（A,B） III地下：基盤（S） CaF2 (305 kg) 濃縮確認 1.0 次世代 CaF2 (10ｔ) 48Ca : 1% HDM実験 Ca ion 0.1 逆階層領域 CaF2 (30ｔ) 48Ca : 5% 0.01 順階層領域 クラウン・エーテル 48Caの濃縮（実験室からプラントへ） 4月10日ヒアリング H. Ogawa

  26. 大型地下実験まとめ • 　陽子崩壊とニュートリノの性質は、レプトンとクオークを統一的に理解するかぎ • 陽子崩壊　（大きな枠組みGUTの検証) • 質量の絶対値（階層構造の解明） • マヨナラ性 • q13、CPフェーズ測定、＋混合角の精度向上 • 将来の大型地下実験 • ハイパーカミオカンデ、液体アルゴンTPC • XMASS-II、KamLAND+Xe、CANDLES-III 2009年6月1日　学術会議シンポジウム

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