2 内容大気ニュートリノスーパーカミオカンデニュートリノ振動の発見検証今後のニュートリノ振動の課題

Size: px

Start display at page:

Download "2 内容大気ニュートリノスーパーカミオカンデニュートリノ振動の発見検証今後のニュートリノ振動の課題"

つねたけやがい
7 years ago
Views:

1 1 SK-I 大気ニュートリノにおけるニュートリノ振動の発見石塚正基 ( 東京工業大学 ) 2016 年 2 月 20 日第 29 回宇宙ニュートリノ研究会東京大学宇宙線研究所

2 2 内容大気ニュートリノスーパーカミオカンデニュートリノ振動の発見検証今後のニュートリノ振動の課題

3 3 大気ニュートリノ大気ニュートリノ生成 From SK website p π µ + ν µ e + ν µ + ν e 100MeV から >TeV まで広く分布 M. Honda et al., Phys.Rev.D92, (2015)

4 4 大気ニュートリノ大気ニュートリノ生成 From SK website p π µ + ν µ e + ν µ + ν e 生成過程から ν µ : ν e = 2 : 1

5 5 大気ニュートリノ大気ニュートリノ生成 From SK website p π µ + ν µ e + ν µ + ν e 生成過程から ν µ : ν e = 2 : 1 大気ニュートリノ異常 Kamiokande (1988), IMB (1991) が予想よりも低い ν µ /ν e ratio を報告

6 6 大気ニュートリノ大気ニュートリノ生成 From SK website p π µ + ν µ e + ν µ + ν e 幾何学的な関係から上下対称上向き : L ~ 10000km 下向き : L ~ 10km

7 7 大気ニュートリノもともとは陽子崩壊探索のバックグラウンドニュートリノ振動の研究へ

8 8 スーパーカミオカンデ水チェレンコフ型検出器５万トンの超純水有効質量 22.5kton 高統計世界最高約11,000本の20インチ光電子増倍管高精度でチェレンコフリングを再構成

9 9 スーパーカミオカンデ水チェレンコフ型検出器 5 万トンの超純水 ( 有効質量 22.5kton) 高統計 ( 世界最高 ) 約 11,000 本の 20 インチ光電子増倍管高精度でチェレンコフリングを再構成ミューオン (µ-like) 事象再構成電子とミューオンの識別電子とミューオンの方向電子とミューオンのエネルギー Phys. Rev. D71 (2005) 電子 (e-like)

10 10 スーパーカミオカンデ ν µ µ 水チェレンコフ型検出器 5 万トンの超純水 ( 有効質量 22.5kton) 高統計 ( 世界最高 ) 約 11,000 本の 20 インチ光電子増倍管高精度でチェレンコフリングを再構成 n ミューオン (µ-like) W p 事象再構成ニュートリノ電子とミューオンの識別ニュートリノフレーバーの決定 ν e e 電子とミューオンの方向ニュートリノ飛来方向 ( 飛行距離 ) と相関電子とミューオンのエネルギーニュートリノエネルギーと相関 n 電子 (e-like) W p

11 11 スーパーカミオカンデ FC PC Upward stopping µ Upward through-going µ

12 12 大気ニュートリノ観測データ (1998 年 ) Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1562 電子 (e-like) 事象は予想と一致上向きミューオン (µ-like) 事象に有意な欠損が見られる

13 13 ニュートリノ振動 (2 世代 ) ニュートリノはフレーバー固有状態 (ν α ) と質量固有状態 (ν i ) が PMNS 行列 (U) により混合していると考えられる! # " ν α ν β $ & =! cosθ sinθ # % " sinθ cosθ $! & ν 1 # %" ν 2 $! & U ν 1 # % " ν 2 $ & % 質量固有状態の時間発展 ν i (t) = e i(e it! p! x) ν i (0) ν α の時間 t( 距離 L) 後の生存確率 $ P α α = ν α ν α (t) 2 =1 sin 2 (2θ)sin Δm2 [ev 2 ] L[km] ' & ) % E ν [GeV] ( 質量が 0 でない場合フレーバーの遷移が予言される = ニュートリノ振動

14 ニュートリノ振動 (2 世代 ) P νµ ν µ = ν µ ν µ (t) 2 $ =1 sin 2 (2θ)sin 2 1.

14 14 ニュートリノ振動 (2 世代 ) P νµ ν µ = ν µ ν µ (t) 2 $ =1 sin 2 (2θ)sin Δm2 [ev 2 ] L[km] ' & ) % E ν [GeV] ( 下向き ( 振動なし ) 上向き ( 振動あり ) Δm 2 sin 2 2θ or L (km) at E = 1GeV 上向きミューオンニュートリノの欠損はニュートリノ振動によって説明される

15 15 大気ニュートリノ観測データ (1998 年 ) Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1562 上向きミューオンニュートリノの欠損はニュートリノ振動によって説明される

16 16 SK によるニュートリノ振動の発見 Slides from Neutrino 98 梶田先生

B467 (1999) 185 E (GeV) 50 40 30 20 10 17 Full osc. ½ osc.

17 上向きミューオン事象 Thr-µ: Phys. Rev. Lett 82 (1999) 2644 Stop-µ: Phys. Lett. B467 (1999) 185 E (GeV) Full osc. ½ osc. ν induced upward-µ shallow ニュートリノ振動がない場合ニュートリノ振動による期待値 cosθ Up-thr µ (~100GeV) thick Up-stop µ (~10GeV) 上向きミューオン事象でもニュートリノ振動の存在を確認

18 18 大気ニュートリノ計算モデルの検証 : 東西効果 Phys. Rev. Lett 82 (1999) 5194 西向き東向き地磁気の影響で大気ニュートリノフラックスは西向きが少ないことが予測される大気ニュートリノデータがフラックス計算と一致していることを確認フラックス計算により予測される角度依存性が妥当であることを検証

19 19 考察いかにして発見をなしえたか大気ニュートリノ E エネルギー : 100MeV ~ >TeV L 飛行距離 : 10km ~ 10000km 幅広いL/E 広い範囲のΔm2を探索可能系統誤差をキャンセルフレーバー比上下対称性振動有り無しの比較カミオカンデスーパーカミオカンデ高統計世界最大高性能 11000本のPMT チェレンコフリングからニュートリノのフレーバーエネルギー方向飛行距離を再構成ニュートリノ振動の研究に必要な全ての情報

20 20 ニュートリノ振動モードの検証 :ν µ ν τ vs. ν µ ν s ν µ ν τ 振動 ν µ ν s 振動 Phys. Rev. Lett 85 (2000) 3999 Upward through-going µ multi-ring (e-like) PC No NC in ν µ ν s Matter effects in ν µ ν s ν µ ν s 振動を仮定した場合 single-ring で予測されるパラメーラ領域を test sample により 99%CL で否定 ν µ ν τ 振動を仮定した場合すべての大気ニュートリノデータを矛盾なく説明

21 21 ニュートリノ振動の検証 : 振動確率の測定 $ P νµ ν µ =1 sin 2 (2θ)sin Δm2 [ev 2 ] L[km] ' & ) % E ν [GeV] ( Slides from NOON 2004, MI Phys. Rev. Lett. 93 (2004) Phys. Rev. Lett. 81 (1998) Δm 2 Neutrino oscillation Neutrino decay Neutrino decoherence ニュートリノ振動による生存確率は L/E の正弦関数で表される分解能の問題

22 22 ニュートリノ振動の検証 : 振動確率の測定 $ P νµ ν µ =1 sin 2 (2θ)sin Δm2 [ev 2 ] L[km] ' & ) % E ν [GeV] ( Slides from NOON 2004, MI Phys. Rev. Lett. 93 (2004) Δm 2 Neutrino oscillation Neutrino decay Neutrino decoherence ニュートリノ振動による生存確率は L/E の正弦関数で表される分解能の問題 L/E 分解能の良いデータのみを選別することにより振動パターンを直接測定

23 23 ニュートリノ振動の検証 : 振動確率の測定 $ P νµ ν µ =1 sin 2 (2θ)sin Δm2 [ev 2 ] L[km] ' & ) % E ν [GeV] ( Phys. Rev. Lett. 93 (2004) Phys. Rev. D71 (2005) sin 2 2θ Δm 2 ミューオンニュートリノの生存確率がニュートリノ振動で予言される正弦関数に従うことを確認 à ニュートリノ振動のより直接的な証拠

24 ニュートリノ振動の検証 : 振動確率の測定 Slides from Nobel Lecture 梶田先生 $ P νµ ν µ =1 sin 2 (2θ)sin 2 1.27 Δm2 [ev 2 ] L[km] ' & ) % E ν [GeV] ( Phys.

24 24 ニュートリノ振動の検証 : 振動確率の測定 Slides from Nobel Lecture 梶田先生 $ P νµ ν µ =1 sin 2 (2θ)sin Δm2 [ev 2 ] L[km] ' & ) % E ν [GeV] ( Phys. Rev. Lett. 93 (2004) Phys. Rev. D71 (2005) sin 2 2θ Δm 2 ミューオンニュートリノの生存確率がニュートリノ振動で予言される正弦関数に従うことを確認 à ニュートリノ振動のより直接的な証拠

25 ニュートリノ振動モードの決定 :ν τ appearance Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 171801 2.4σ Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 181802 3.8σ From R.

25 25 ニュートリノ振動モードの決定 :ν τ appearance Phys. Rev. Lett. 97 (2006) σ Phys. Rev. Lett. 110 (2013) σ From R. Downward-going data & MC Tau signal MC Input variables based on energy, PID, decay-e, # rings and PMT hit pattern à Select hadronic decays of tau ニューラルネットにより統計的に ν τ 信号を選別 (60% efficiency) ν µ ν τ 振動による tau-like 事象を確認 (3.8σ) ν µ ν τ 振動の証拠

26 26 Neutrino vs. Anti-neutrino Phys. Rev. Lett. 107 (2011) SK-I + II + III anti-neutrino 反応断面積フラックスイベントトポロジーなどの違い ( エネルギー依存性含む ) からニュートリノ反ニュートリノを統計的に識別 Anti-ν: Δm 2 vs. sin 2 2θ anti-ν vs. ν MINOS 68, 90, 99% CL ニュートリノ反ニュートリノで独立に 2 世代振動を仮定して CPT を検証反ニュートリノ振動のパラメータを制限ニュートリノ反ニュートリノで振動パラメータが一致

27 27 ニュートリノ振動の発見現在の知見 Standard Model 電荷を持たないレプトン弱い相互作用のみで反応左巻きのみが存在質量 = 0 0でないが小さい質量を持つ Δm 2 21 ~ 7.5x10-5 ev 2 wikipedia Δm 322 ~ 2.4x10-3 ev 2 m tot < 0.3 ev ニュートリノ混合角 θ 23 ~45 o, θ 12 ~34 o, θ 13 ~9 o

28 今後の課題 Generation 3 2 1 ν 3 ν 2 ν 1 e u d s µ τ c b t 10 2 1 10 1 10 ニュートリノ質量 : 0 ではないが極端に小さい

28 28 今後の課題 Generation ν 3 ν 2 ν 1 e u d s µ τ c b t ニュートリノ質量 : 0 ではないが極端に小さいヒッグス機構で解釈するとヒッグスとの結合が 12 桁以上も小さいことにニュートリノに質量を与える別の機構? マヨラナ粒子? 右巻きの重いニュートリノが存在?( シーソー機構 ) 物質反物質非対称性の起源の鍵を握る?( レプトジェネシス ) 次世代ニュートリノ実験の研究課題 Mass (ev) 質量階層性 ( 大気ニュートリノ長基線ニュートリノ原子炉ニュートリノ ) CP 対称性の破れ ( 大気ニュートリノ長基線ニュートリノ ) マヨラナ vs. ディラック ( 二重ベータ崩壊 )

29 29 大気ニュートリノ振動研究の発展スーパーカミオカンデ ( ハイパーカミオカンデ ) 3 世代ニュートリノ振動解析質量階層性 CP 対称性の破れ θ 23 octant Test of exotic models è Next talk 長基線ニュートリノ振動実験によるニュートリノ振動の検証パラメータの精密測定 (K2K, MINOS, T2K) ν µ ν τ 振動によるタウ事象の直接検出 (OPERA) 3 世代混合の測定 (Τ2Κ, Double Chooz, Daya Bay, RENO, NOvA) 大気ニュートリノ観測 (IceCube-DeepCore)

30 30 まとめカミオカンデがミューオンニュートリノの欠損を報告大気ニュートリノ異常 (1988) スーパーカミオカンデによる高統計高精度の測定の結果上向きミューオンニュートリノの有意な欠損が明らかにニュートリノ振動の発見 (1998) スーパーカミオカンデではさらにニュートリノ振動の研究を進めミューオンニュートリノの生存確率が正弦関数に従うことを確認ニュートリノ振動のより直接的な証拠 (2004) ν µ ν τ 振動によるタウ粒子の有意な信号を観測 (2013) ニュートリノと反ニュートリノの振動パラメータの一致を確認 (2011) 今後はスーパーカミオカンデ ( ハイパーカミオカンデ ) により 3 世代ニュートリノ振動の研究を進め質量階層性 CP 対称性の破れを明らかにする長基線ニュートリノ原子炉ニュートリノなども含めた多方面からの研究

素粒子物理学2 素粒子物理学序論B 2010年度講義第4回

素粒子物理学2 素粒子物理学序論B 2010年度講義第4回素粒子物理学素粒子物理学序論B 010年度講義第4回レプトン数の保存崩壊モード寿命(sec) n e ν 890 崩壊比 100% Λ π.6 x 10-10 64% π + µ+ νµ.6 x 10-8 100% π + e+ νe 同上 1. x 10-4 Le +1 for νe, elμ +1 for νμ, μlτ +1 for ντ, τレプトン数はそれぞれの香りで独立に保存

2 内容 大気ニュートリノ スーパーカミオカンデ ニュートリノ振動の発見 検証 今後のニュートリノ振動の課題

2 内容大気ニュートリノスーパーカミオカンデニュートリノ振動の発見検証今後のニュートリノ振動の課題