東海村議会原子力問題調査特別委員会
勉強案件「ニュートリノ実験施設」御説明資料
J-PARCでのニュートリノ実験
“T2K” 長基線ニュートリノ振動実験 ~東海から神岡へ~
2004年7月15日
日本原子力研究所 (JAERI)
高エネルギー加速器研究機構 (KEK)
1
Tokai-to-Kamioka (T2K)
長基線ニュートリノ振動実験
目標



電子ニュートリノ出現の発見q13決定
ミューニュートリノ消失の精密測定q23, m23
2
 x

振動確率@
m2=3x10-3eV2
OA0°
OA2°
特徴
世界最大強度のニュートリノビーム
 世界最大の検出器スーパーカミオカンデ
世界最高感度を目指す

OA2.5°
OA3°
1600CC/yr/22.5kt
(2.5deg)
2
大強度陽子加速器施設:J-PARC
茨城県東海村に2008年完成予定
KEK-PSの~100倍の強度
原子核素粒子実験施設
(ハドロン実験施設)
物質・生命科学実験施設
500m!
核変換実験施設
ニュートリノ実験施設
(神岡検出器へ)
線形加速器
(350m)
3GeVシンクロトロン
(25Hz,1MW)
50GeVシンクロトロン
(0.75MW)
J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex
3
ニュートリノとは?
物質を構成する基本粒子「素粒子」の仲間
 なぜか3種類ある(??)(「世代」と呼ぶ)

電子ニュートリノ
 ミューニュートリノ
 タウニュートリノ

ほとんど何ともぶつからず通り抜ける。
 1930年、パウリが予言、発見は26年後
 電気的に中性、質量は非常に小さい(?)
 壊れることなく永久に光速で飛びつづける(?)

4
素粒子の仲間
同じような性質
を持ち重さが違
う3つの階層(世
代)がある。
 なぜかは分か
らない。
 素粒子物理の
大きな課題の
一つ。

5
他の素粒子に比べ
何桁も軽い。
 本当にどれだけの
重さが有るのか分
かってない。
 上限だけが分かっ
ている。
 なぜ軽いのか分
かってない。(素粒
子物理学の大きな
課題)

対数
ニュートリノはなぜかとても軽い。
3g
1兆x1兆
1010
108
106
104
102
2g
1兆x1兆x1000億
6
ニュートリノは物質となかなか反応
しない
・・・・・・・・・・・・・
地球を50億個並べる(7光年の長さ)
ニュートリノ
ニュートリノは、この間にやっと1回反応する程度
地球
太陽からのニュートリノの場合
大気ニュートリノの場合は鉄約1億kmで1回。
7
身近なニュートリノの例

太陽から来るニュートリノ
毎秒1平方cmあたり約660億個。
 (1秒あたり人体を約300兆個通過)


大気ニュートリノ
宇宙から来る放射線(主に陽子)が大気で反応を起
こし生成されるニュートリノ
 毎秒1平方cmあたり約1個。


宇宙初期から宇宙を満たすニュートリノ

2mx2mx2mの大きさに約30億個
8
自然界のニュートリノ(1):太陽ニュートリノ
例えば
陽子
陽子
電子ニュートリノ
地球の表面で、1秒間、1平方センチメー
トルあたり、
6x1010 = 600億個
重陽子(陽子+ 中性子)
(陽)電子
のニュートリノが太陽から降ってきている。
9
自然界のニュートリノ(2): 大気ニュートリノ
一次宇宙線(陽子、ヘリウム)
p, He
高さ=10-20 km
p±, K± p, He ...


±

e±
L = 10~30km



e
L=13000km
p, He ...
p, He ...
1秒間に1平方センチメートル辺り、
1個のニュートリノが空から降ってきている。
10
宇宙の中のニュートリノ
3種類のニュートリノ
 電子型
 ミュー型
 タウ型
e

t
2m

それぞれ
10億個!
11
宇宙の中の陽子と電子
宇宙全体で平均してみると
陽子と電子は箱の中に
1個ずつ
2m

12
T2K実験の目的
J-PARCの世界最大強度ビーム
を用いて、
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
法則を探求すること。

13
ニュートリノ振動とは?
ニュートリノが飛行中に別の世代のニュートリ
ノへ変化する現象。
 ニュートリノが重さを持つときに限り起こる。
 変化の仕方は、飛行距離、ニュートリノの重さ、
エネルギーによって決まる。


t
ミューニュートリノ
タウニュートリノ
14
T2K実験での測定
ミューニュートリノ
を作る。
J-PARC
約1000分の1秒で神岡に到達


(東海)
電子ニュートリノの反応を探す。(未発見の振動。最重要課題)
ミューニュートリノの減少を測る。性質の解明。
15
人工ニュートリノビームの作り方





陽子を光速の99.98%に加速し標的に当て、大量のπ中間
子を生成。(3.6秒に1回300兆個の陽子)
π中間子を磁石で神岡方向に収束。
π中間子が崩壊パイプを飛行中に崩壊しミューニュートリノが
生成される。
ニュートリノ以外の粒子をビームダンプ(ニュートリノフィル
ター)で止める。
生成直後のニュートリノの性質を「前置検出器」で測定。
16
ニュートリノ施設
電磁ホーン
ニュートリノモニター棟
標的(グラファイト)
•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
一次陽子ビームライン(超伝導)
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
ビームダンプ
ターゲットステーション完成
17
Decay volume completed
17
ニュートリノ検出器:スーパーカミ
反応標的:水50000トン(超純水)
オカンデ
スーパーカミオカンデ
水槽の内面に11146本の
光電子増倍管(photomultiplier tube:PMT)
外水槽のPMTで外来粒子を検出
岐阜県
神岡町池の山
1000m
40m
東京大学宇宙線研究所
18
スーパーカミオカンデと光電子増
倍管
19
スーパーカミオカンデでのニュートリノの検出
J-PARC
ニュートリノが水を蹴飛ばした時にでるわずかな光
(チェレンコフ光)を1万1千本の光センサーで検出する。
 東海からのニュートリノが1日におよそ2兆5千億個
スーパーカミオカンデを通過する。
 そのうち検出できるニュートリノの数は1日に数十個
程度。(それでもK2Kより約100倍多い。)

20
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
21
期待されるニュートリノの数
(1日に2兆5千万個)
22
J-PARCから来たニュートリノを識別:GPS
1日 約10個
1日 約10個
J-PARCから
 大気ニュートリノ

到着時間で区別する
GPS
(1000万分の1秒の誤差)
今うったよ
J-PARC
今きたよ
ニュートリノ飛行時間
約1000分の1秒
SK
23
ニュートリノの種類を識別するには?
電子ニュートリノ
電子
生成された
粒子の種類で
識別
μニュートリノ
μ粒子
τニュートリノ
τ粒子
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
24
とeの識別


素直に走るためパターンが
きれいなリング
e-
e
e-
g
e-
e+
g
ee-
電磁シャワーを起こすた
めパターンが汚い
25
25
e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
sin22q13
(CC+NC)
Beam e
Osc’d e
0.1
10
17
143
26
26
J-PARC Neutrino Facility Start Operation
First shot after turning on arc section superconducting magnets at 19:09, Apr.23, 2009
Ion chamber
Silicon detector
Scintillator (for commissioning)
Muon monitor signals
Neutrino production is confirmed by associated muon signal
27
J-PARC Neutrino Facility Start Operation
28
まとめ。予定。

T2K実験
原研東海村のJ-PARCを用いて、これまでの約1
00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年実験開始の予定。

29
小柴先生 2002年ノーベル物理学賞
天体物理学に対するパイオニア的貢献、
特に宇宙ニュートリノの観測に対して
1987年の業績
30
1998年6月5日
ニュートリノ振動発見!
31
なんと!
祝2008年ノーベル物理学賞!
南部陽一郎氏
素粒子物理学に自発的破れた対称性の
機構を導入したことについて
(標準理論で粒子に質量を与える仕組み)
小林誠氏(元KEK素核研所長)
益川敏英氏(元京大基研所長)
自然界に少なくとも3世代のクォークが存在
することを予言した対称性の破れの起源の
発見について
(小林益川理論)
どちらもニュートリにも深く
関係している。
32
素粒子
物質を構成する究極の単位
火?水?土?=原子
原子=原子核と電子
原子核=陽子と中性子
陽子=3つのクオーク
クオーク=素粒子?
永遠にわからないもの?
33
自然界を構成する素粒子の主役達
ミュー粒子
クオーク
陽子
原子核
中性子
電子
ニュートリノ
原子核をくっつけるノリ
パイ中間子
34
素粒子と力
重力
弱い
弱い力
β崩壊
電磁気力
森羅万象
強い力
強い
核力
原子核を保つ
35
現在の素粒子の世界像(標準模型)



これまで全ての実験結果
を説明!!大成功!
ニュートリノ質量は0
しかし、素粒子屋(理論屋、
実験屋とも)は不満足

。




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
36
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)
標準模型
電磁気学
量子電磁力学(QED)
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
37
ニュートリノとは?


New Trino (新しいトリノ)ではない。
Neutrino



物質を構成する基本粒子「素粒子」の仲間
なぜか3種類ある(?)







中性Neutrにちっちゃいという意味のino:中性微子
電子ニュートリノ(e)
ミューニュートリノ()
タウニュートリノ(t)
1930年、パウリが予言、発見は26年後
ほとんど何ともぶつからず通り抜ける
電気的に中性、質量はゼロ(?)
壊れることなく永久に光速で飛びつづける(?)
38
自然界のニュートリノ

太陽(からの)ニュートリノ
~MeV
~600億個/cm2/秒
核融合反応からのe

大気(からの)ニュートリノ
~GeV
宇宙線(p,He)と大気分子の衝突で生成される, e
~1個/cm2/秒

地球(内部からの)ニュートリノ
~MeV
~400万個/cm2/秒
~10MeV
~1000億個/cm2
U, Puの崩壊でできる反電子ニュートリノ

超新星(からの)ニュートリノ
電子陽電子対消滅などからのe,,t

宇宙背景ニュートリノ
SN1987A(15万光年)
~meV
~10兆個/cm2/秒
宇宙初期に生成されたニュートリノが冷えて(エネルギーが下がって)漂っている。 e,,t
39
他の素粒子に比べ何
桁も軽い。
 本当にどれだけの重
さが有るのか分かっ
てない。
 上限だけが分かって
いる。
 なぜ軽いのか分かっ
てない。(素粒子物理
学の大きな課題)

対数
ニュートリノはなぜかとても軽い。
3g
1兆x1兆
1010
108
106
104
102
2g
1兆x1兆x1000億
40
ニュートリノは物質となかなか反応
しない
・・・・・・・・・・・・・
地球を50億個並べる(7光年の長さ)
ニュートリノ
ニュートリノは、この間にやっと1回反応する程度
地球
太陽からのニュートリノの場合
大気ニュートリノの場合は鉄約1億kmで1回。
41
ニュートリノの謎

極端に軽い(質量が小さい)
eの質量 電子の約5桁以上軽い!!
 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理論




世代間の関係は?


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
クォークと大きく異なっているように見える。(後述)
ニュートリノの性質を解明することにより、大統一
理論の重大なヒントが得られる可能性がある!!
42
日本のリーダー。残念。ご冥福を。
日経サイエンス2008年4~10月号ニュートリノ特集参照(10月は追悼)
文芸春秋8,9月号など
43
カミオカンデ実験(1983ー1996年)
岐阜県神岡町神岡鉱山
地下1000メートルの場所に
3000トン水タンクを建設
1000本の20インチ光電子
増倍管
44
超新星爆発

1987 Feb 23
16:35:35
17万光年離れた
大マゼラン星雲内
 SN1987Aと命名
SN:Supernova(超新
星)

45
我々の銀河
太陽
大マゼラン星雲
17万光年彼方
小マゼラン星雲
われわれの銀河の “ごく近く”。(伴銀河)
http://science.nasa.gov/newhome/headlines/ast15jul99_1.htm
46
カミオカンデが捉えた超新星のデータ
Visible energy (MeV)
ニュートリノのエネルギー
e + p 
e
e+
+n
e+
p
n
13秒間に11個の
ニュートリノを捕らえた。
その瞬間に通り抜けて
行ったニュートリノの数
は、 1000億個/cm2
バックグラウンドレベル
秒
JT: 1987 Feb 23 16:35:35 (±1min)
UT:
7:35:35
Time
47
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
とeの識別


素直に走るためパターンが
きれいなリング
e-
e
e-
g
e-
e+
g
ee-
電磁シャワーを起こすた
めパターンが汚い
49
大気ニュートリノの上下非対称性の発見
Super-K
 g  t 振動の証拠
ミューニュートリノ
のまま検出
決定的証拠!
t に変身
ミューニュートリノがタウ
ニュートリノ変化しする
ので検出されない
のまま
上向き
下向き
50
ニュートリノ振動の発見!


1998年はスーパーカミオカンデは大気ニュートリノで
ニュートリノ振動が起こっていると発表
ニュートリノ質量の初めての証拠
大発見!
標準模型で説明できない始めての測定!
 ミュー型ニュートリノとタウ型ニュートリノの振動
 2タイプの質量の差は電子の重さの約1000万分の1
Q4-1:大気ニュートリノの数1/cm2/secのとき1日におおよそ何個のニュートリノがSKを通過するか?
Q4-2: エネルギー1GeV, 反応断面積10-38 cm2として、22.5ktonのSKで1日いくらの反応があるか?
Q4-3:大気ニュートリノのエネルギーを1GeVとして、大気ニュートリノの観測はおおよそどのくらいの範囲の質量自乗差に感度があるか?
51
ニュートリノビームの作り方
崩壊領域
収束
陽子 標的
ビーム

装置

p
ビームダンプ
収束装置: 電磁ホーン
p beam
磁場
磁場
p+
p+
半径 r
電流
Aluminum
I [ A]
10
磁場強さ B
5r [m]
B  4.3 T , r  15 m m, I  320kA
トロイダル磁場 B [T ] 
純粋な 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
52
(April 1996 commissioned)
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
40m
53
53
ターゲットステーション内の機器
ビームコリメータ
設置済み(英)
ビーム窓
設置済み
(英)
4月よりビーム受入れ
READY!
標的完成
設置済み。
標的直上流陽子モニター
(カナダ)完成、設置済み。
第1ホーン完成
設置済み。
第2ホーン完成
(USの貢献)7月設置済み。
第3ホーン完成
試設置済み
2009夏設置予定
54
54
T2K (東海to神岡)長基線ニュートリノ振動実験
スーパーカミオカンデ
T2K実験(2009~)
J-PARC
@JAERI
40m


J-PARCで生成したニュートリノを295km先の検出器
“スーパーカミオカンデ”で検出し、ニュートリノの性
質を調べる。
K2K実験のおよそ100倍のビーム強度
55
ダウンロード

ニュートリノは