ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
 マヨラナ粒子?
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ






ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
 マヨラナ粒子?
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ






混合行列
Weak
e
eigenstates 

U PMNS
0
1

  0  c23
0  s
23

 1 
 e 
 
 
    U MNS 2 
 
 
 3
 
0   c13

 s23  0
 c23   s13ei
m1
mass
m2
eigenstates
m3
0  s13e  i   c12

1
0   s12
 c13  0
0
 s12
 c12
0
0

0
1 
(cij  cos  ij , sij  sin  ij )
12, 23, 13
+ (+2 Majorana phase)
m12, m23, m13
絵にしてみると
s
第1世代クオーク
第2世代クオーク
第3世代クオーク
d
m3
b
s
d
電子ニュートリノ
ミューニュートリノ
m3
m2
m1
タウニュートリノ
m1
m1
m3
m2
m2
ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
 マヨラナ粒子?
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ



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
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
3x3のユニタリー行列は、複素位相を1個もつことができますね。
U PMNS
0
1

  0  c23
0  s
23

0   c13

 s23  0
 c23   s13ei
0  s13e  i   c12

1
0   s12
 c13  0
0
(cij  cos  ij , sij  sin  ij )
T2K??? Hyper‐K???
CKM (quark sector) ~60°
 s12
 c12
0
0

0
1 
ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
 マヨラナ粒子?
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ

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

質量の絶対値
 ニュートリノ振動で測定できるのは、
mi2‐mj2
で、絶対値は測定できない。
 わかっている上限値
 直接測定

e : 2 eV,  : 0.19MeV,  : 18.2 MeV
 宇宙論的観測 (Planck 2013)
 me+m+m : <~0.23 eV? ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
 マヨラナ粒子?
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ

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
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに
軽いのか?そもそも、物質の質量の起源とは?
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに
軽いのか?そもそも、物質の質量の起源とは?
ディラック質量
o俺は、photonだ。
お前は、左巻き君
だな。
ひっぐす
o俺は、photonだ。
お前は、右巻き君
だな。
有限な質量を持つ= 座
標系によって、右巻き、
左巻きが、代わる。
mD R L
ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
 マヨラナ粒子?
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ






マヨラナ粒子
ディラック質量
?
o俺は、photonだ。
お前は、左巻き君
だな。
中性なフェルミオンは、
Dirac質量項とは、違う形
の質量項を持つことが
できる。
mL LC L
o俺は、photonだ。
お前は、右巻き君だな。あれ、
君は、思っていたのと、違う人だ
ね?まてよ、どこかで見たよう
な。そうだ、反粒子くんだね。
mR RC R
ただし、レプトン数保存を
破る!!!
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに
軽いのか?そもそも、物質の質量の起源とは?
 ニュートリノの質量が、荷電レプトンやクオークと同じようにHiggs場
を通してDirac質量として獲得していると考えると、こんなにも軽い
のは不自然である。
 L,Rがディラック質量 m(例えば1 GeV)を持つと考える。さらに高い
エネルギースケール(~1011GeV)の物理により、Rがマヨラナ質量
M(~1011GeV)を持つと、質量項は
 ,   
c
L
R

 0 m   L c 
   R c , R



 m M   R 

 0 m   L 


c

 m M   R  
m<<Mの近似でこの行列を対角化すると、固有値は、m2/M,Mとな
る。
m2/M10‐2 eV (シーソー機構)
非常に重い右巻きニュートリノがあると、大統一理論的にも
うれしいらしい。
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ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
 マヨラナ粒子?
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ






物質優勢宇宙の起源?
レプトジェネシス
 宇宙生成時
クオーク数 : 反クオーク数 = 10000000001 : 10000000000 この差(10‐9)を説明するのに標準理論のCPの破れでは7桁足りな
い。(10‐16)しか生成できない (軽すぎる。混合角が小さい)
 レプトジェネシス
 NR(重い右巻きニュートリノ)の崩壊で軽いνとHiggsを生成。この
時にCPの破れ→レプトン数の生成 (重い。混合角が大きい可能
性大)
 スファレロン過程 (質問禁止!)

Wのプラズマ。Wが揺らぐとqLとlLのエネルギーレベルが変化してB‐Lを
一定に保った状態で粒子を生成。レプトン数→バリオン数が生成
 シーソーで仮定されるNRは、ちょうどいい重さらしい
 実験屋の責務
 ニュートリノ振動におけるCPの破れと、ニュートリノがマヨラナ粒
子であることを示す!(または否定する)
ニュートリノを巡る未解決の問題群
混合行列の(クオークと比べて)変な特徴
(クオークと同じように)CPは破れているのか?
本当に3種類だけか?
ニュートリノ
振動
物質優勢宇宙の起源?
質量の順番(クオークと同じか?)
クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いの
か?そもそも、物質の質量の起源とは?
ダブルベータ
 マヨラナ粒子?
崩壊
 質量の絶対値
 宇宙背景ニュートリノ 私の大学院の時からの夢。今日はお話しません。

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



Energy Level
0崩壊
  
2を伴う二重ベータ崩壊
このベータ崩壊
は、エネルギー
的に禁止されて
いる
( Z , A)  ( Z  2, A)  2e   2 e
(2 - decay)

AZ A(Z+1) A(Z+2)
e
反
反
(0 - decay)
( Z , A)  ( Z  2, A)  2e 
e
violating lepton number conservation
n
n
Require neutrino to be Majorana(anti‐R)=L and to have masses.
原子核
Life time~>1025
year
e

反
n
を伴わない二重ベータ崩壊
原子核
e

n
( Z , A)  ( Z  2, A)  2e   2 e
(2 - decay)
(0 - decay)
Arbitrary scale
( Z , A)  ( Z  2, A)  2e 
0崩壊の信号
Q
 2個の電子のエネルギーの和を測る。
2個の電子を個別に測定する実験もある
 キーポイント (t~>1025 yr, a few MeVを測る!)
 エネルギー分解能
 バックグラウンドの除去
 大きくできること。
World record for life time upper limit
Heidelberg/Moscow 76Ge experiment
5 HP‐Ge crystals, enriched to 87% in 76Ge ~11kg
total statistics 71.7kg x y
controversial result KK claim for evidence v.s. refute by collaborators.
1/20=1.2x1025 years
<m>=0.44eV
2013年 KamLAND‐zen + EXO !
Refute KK claim by 97.5%C.L.
<m> < 120‐250 meV (90%C.L.)
KamKAND‐zen
+EXO‐200
京都に着任(2007年)してから(する前から)ずっと二重ベータ崩壊探
索実験を**自分のアイデアで**したいと思っていました。
今、考えうる究極の0ν二重ベータ探索検出器!
AXEL 全体概念図
~5MHz wave digitizer
(Switched capacitor array?)
wall for insulation and gas separation
30bar N2? CO2?
field cage
ELCC plane
136Xe
10~30 bar
150~200kV
Cockcroft‐Walton chain
なぜ究極なのか?
 キセノン
 136Xeが二重ベータ崩壊核: 自然同位体比 9%。1トンの濃
縮は金の問題。2メートルの検出器なんて大したことない。

半導体検出器ボロメータはなかなか大きくできない。
 超高エネルギー分解能
 Proportional Scintillation (=Electro luminescence) modeで
読み出すことで、0.5%(FWHM)が可能

(KamLAND‐Zen 9.6%, EXO 3.8%)
 バックグラウンド除去
 アルファ線やコンプトン散乱するガンマ線は簡単に除去で
きる。
Baseline design(目標)
 1 ton enriched 136Xe gas (not liquid)
 At 15~30 times higher density than STP
  = 0.088~0.18g/cm3
 e.g. 2mx1.7m(H) cylinder at 0.18 g/cm3
 Use proportional scintillation mode (Electroluminescence) for energy measurement
— Energy resolution goal < 0.5%(FWHM) — Ultraviolet photon(~170n) detection by MPPC
 Tracking as TPC
— Range(2.5MeV e) ~ 210 cm at STP
— T0 by primary scintillation signal
— Sample 15~20 points using pads. 5~7.5mm spacing5.5x104~1.2x105 ch
— Purpose is to identify two blobs at track ends.  distinguish from ’s and ’s.
— Electric field for dri : [email protected] →dri velocity ~1m/ms
 Energy measurement by ELCC(see next pages)
読み出し部に新しいアイデア
Readout by light collection cell
(名付けてELCC) anode Line of electric force
Mesh electrode
Cellの軸
FEMMによる計算
MPPC
PTFE w/ holes(~5mm) MPPC
simulation example 1
row track
simulation example 1
segmentation (7.5mm in x or y and 2mm in z)
z marginalized by ELCC generation time(4s)
秋山君の成果 ELCC Ver.2
 1気圧、PMT読み出し試作機
 30keV X線に対してエネルギー分解能
14%(FWHM) → 二重ベータ崩壊の信号
(2.5MeV)に換算すると1.5%
 目標(0.5%)まで、あとたったfactor 3!
エスケープピークの片側をガ
ウシアンでフィットし、分解能
を算出
30keV X線の測定結果
メンバー
 市川、中家、南野
 中村、石山
 関谷(宇宙線研)、廣瀬(物二技術職員)
 (秋山君卒業)
AXEL
イメージキャラクター
今年の目標
 MPPC 64チャンネル、10気圧検出器を製作し1.3MeVガン
マ線の測定で原理証明
 このための開発要素、盛りだくさん。
 来年度以降の目標は
 キセノン10気圧 9kg検出器
↓  30気圧 27kg検出器で世界記録更新
↓
 30気圧1トン検出器で発見!
学生さんの取り組み方
 修士課程でハードウエア開発の経験を持つのは、すごく
大切
 博士課程では、状況にあわせ、ハードを続けるなり、T2K
やATLAS等の解析をするなり、選択肢あり。
 0ν二重ベータ崩壊は、ノーベル賞を狙える物理です!
成功すれば
ダウンロード

2014年度版