授業のファイル - 東京大学宇宙線研究所神岡宇宙素粒子

スーパーカミオカンデ実験
（素粒子・宇宙研究）
現代物理学入門＠本郷
２００６年７月３日
塩澤 真人
[email protected]
スーパーカミオカンデ実験は、世界最大のニュー
トリノ観測・陽子崩壊探索装置であり、素粒子の
基礎理論や宇宙の理解のために必要不可欠な実
験である。
今後も、素粒子ニュートリノの性質のより精密な測
定や、新しいニュートリノ源の探索、陽子崩壊の探
索を行っていく予定である。
再建作業終了後、給水中のスーパーカミオカンデ（２００６年４月２３日）
スーパーカミオカンデの歴史
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Start
SK-I
光電子増倍管数
エネルギーしきい値
（太陽ニュートリノ解析）
(光電面被覆率)
11,146
(40%)
5 MeV
5,182
(19%)
7 MeV
SK-III
大気ν L/E効果の発見
K2K 最終結果
Full reconstruction (完全再建）
11,129
(40%)
大気ν振動の発見
太陽ν振動の発見
Accident（事故）
Partial Reconstruction（部分再建）
SK-II
主たる成果
4 MeV(plan)
低エネルギーニュートリノ観測を再開
電子機器も入れ替える予定（新規開発）
hit timing
Trigger
PMT signal
charge
QTC
FPGA
amp
multihit-TDC
ATLAS-TDC
ATLAS-TDC
Discri.(CFD)
FIFO
3gain x 3ch
２００４
２００５
２００６
２００７
２００８
カスタムＡＳＩＣの開発開始
基板全体の設計
ボードの試作、試験
システム全体の開発、試験
大量生産、
スーパーカミオカンデ入れ替え
最初のQTCchip+評価ボード
高感度、高精度、高速なデータ収集装置の開発。
ハードウエアのエネルギー閾値をゼロに下げる。
スーパーカミオカンデ実験
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５０ｃｍ光電子増
倍管
„ 光電面被覆率 ４０％
„ 地下１０００ｍの神岡鉱山内
カミオカンデの３０倍の
有感度体積
現在の標準理論における
「素」粒子
= 陽子
Proton
= 中性子
Neutron
ニュートリノは物質となかなか反応しない
ニュートリノ
地球
地球を通過する間に反応する確率は、0.0000000002程度
（太陽ニュートリノの場合）
しかし、たくさんニュートリノが飛んでくれば、実験装置
で希に反応してくれる。
ニュートリノを「見る」
The neutrino is observed by “seeing” the
product of its interaction with matter.
νe
Electron (e)
νµ
Muon (µ)
Electron
neutrino
Muon
neutrino
The products are
charged particles.
Water Cherenkov Detector
Light emission from a
charged particle –
Cherenkov radiation
粒子識別と
チェレンコフリング数
Super-Kamiokande
Super-Kamiokande
Super-Kamiokande
Run 5704 Event 3551590
Run 3962 Sub 125 Ev 965982
Outer: 1 hits, 0 pE (in-time)
D wall: 915.5 cm
98-03-17:07:14:39
97-05-01:15:32:29
Inner: 3397 hits, 7527 pE
Inner: 2887 hits, 9607 pE
Outer: 0 hits, 0 pE (in-time)
Outer: 1 hits, 0 pE (in-time)
Trigger ID: 0x07
Trigger ID: 0x03
D wall: 1089.6 cm
D wall: 1690.0 cm
FC e-like, p =
FC mu-like, p = 1323.6 MeV/c
Run 1871 Sub 2 Ev 6467
96-06-11:02:06:46
Inner: 3021 hits, 7254 pE
923.2 MeV/c
Charge(pe)
Charge(pe)
>15.0
13.1-15.0
11.4-13.1
9.8-11.4
8.2- 9.8
6.9- 8.2
5.6- 6.9
4.5- 5.6
3.5- 4.5
2.6- 3.5
1.9- 2.6
1.2- 1.9
0.8- 1.2
0.4- 0.8
0.1- 0.4
< 0.1
>26.7
23.3-26.7
20.2-23.3
17.3-20.2
14.7-17.3
12.2-14.7
10.0-12.2
8.0-10.0
6.2- 8.0
4.7- 6.2
3.3- 4.7
2.2- 3.3
1.3- 2.2
0.7- 1.3
0.2- 0.7
< 0.2
νe + N Æ
e + N’ + (X)
Electron-like
ring
categolized as
(diffused ring)
1-ring e-like event
(νe CC enriched sample)
νµ + N Æ
Trigger ID: 0x03
Fully-Contained Mode
Charge(pe)
>15.0
13.1-15.0
11.4-13.1
9.8-11.4
8.2- 9.8
6.9- 8.2
5.6- 6.9
4.5- 5.6
3.5- 4.5
2.6- 3.5
1.9- 2.6
1.2- 1.9
0.8- 1.2
0.4- 0.8
0.1- 0.4
< 0.1
930
744
558
372
186
0
0
1000
1500
2000
Times (ns)
µ + N’ + (X)
1400
νµ + N Æ
muon-like ring
categolized as
(sharp edge)
1120
1-ring µ-like event
840
560
(νµ CC enriched sample)
280
0
0
500
500
1000
Times (ns)
1500
2000
µ + N’ + π + (X)
1100
categolized as
880
660
multi-ring event
440
220
(Additional cut for
oscillation analyses)
Times (ns)
0
0
500
1000
1500
2000
Super-Kamiokande
地下千メートルに５万トンの超純水をたたえた素粒子検出器
超新星ν
太陽ν
大気ν
SK
陽子崩壊
大強度加速器ν
（JPARC）
人工ν
ビッグバンの直後にあらゆる物質が作られた
ビッグバン
宇宙の膨張
あらゆる粒子の生成
クォーク・反クォーク
ニュートリノ・反ニュートリノ
銀河形成
http://map.gsfc.nasa.gov/
この宇宙起源のニュートリノは現在１ｃｍ３に約３００もある。
ニュートリノ振動とは？
νe
νµ
ντ
ニュートリノ振動
( ) (
=
Ue1
Uµ1
Uτ1
Ue2 Ue3
Uµ2 Uµ3
Uτ2 Uτ3
ν1
ν2
ν3
)( )
質量の固有状態
ユニタリー行列
弱い相互作用の固有状態
２つのニュートリノの場合
cosθ
να
=
νβ
- sinθ
( ) (
sinθ
cosθ
ν1
ν2
)( )
P(να→νβ) = sin22θ sin2(1.27∆m2L/E)
∆m2 = m22 - m12 (eV2)： 質量の２乗の差
L (km): ニュートリノの飛行距離
E (GeV): ニュートリノのエネルギー
ニュートリノ振動をもう１ページ
⎛ | ν e > ⎞ ⎛ cos θ
⎜
⎟
⎜ | ν > ⎟ = ⎜⎜ − sin θ
⎝ µ ⎠ ⎝
sin θ ⎞⎛ | ν 1 > ⎞
⎟⎟
⎟⎟⎜⎜
cos θ ⎠⎝ | ν 2 > ⎠
| ν 1 (t ) >=| ν 1 (0) > e −iE1t
|< ν 1 (t ) | ν 1 (0) >|2 = e iE1t e −iE1t |< ν 1 (0) | ν 1 (0) >|2 = 1
質量（エネルギー）の固有状態は時間経過しても確率不変。
でも複数の固有状態の混合状態はどうなる？Æ時間変化する！
| ν µ (t ) >= − sin θ | ν 1 (0) > e − iE1t + cos θ | ν 2 (0) > e − iE2t
異なるフェイズでまわる
P(ν e → ν µ ) =|< ν µ (t ) | ν e (0) >|2
(
)
= − sin θ < ν 1 (0) | eiE1t + cos θ < ν 2 (0) | e iE2t • (cos θ | ν 1 (0) > + sin θ | ν 2 (0) > )
= − sin θ cos θeiE1t + sin θ cos θe iE2t
(
2
= sin 2 θ cos 2 θ 2 − e i ( E1 − E2 ) t − e i ( E2 − E1 ) t
1
= sin 2 2θ [1 − cos( E1 − E2 )t ]
2
2
)
E1 − E2 =
| m12 − m22 | ∆m 2
p +m − p +m =
=
2p
2E
2
2
1
2
2
2
ニュートリノの状態は、質量の異なる状態の重ね合わせで
あると仮定する。
空間、または時間
波の伝播
時間
質量Ｍ１の
質量状態 １
ニュートリノ
質量Ｍ２の
質量状態 ２
ニュートリノ
２つの重ね合せ
合成した状態
＝（例えば）電子ニ
ュートリノ
うなりが
起きる
電子
ニュートリノ
ミュー
ニュートリノ
電子
ニュートリノ
ミュー
ニュートリノ
ニュートリノの伝播
電子
ニュートリノ
ミュー
ニュートリノ
電子
ニュートリノ
時間、あるいは距離
ミュー
ニュートリノ
このように種類が変化してしまう現象を「ニュートリノ振動」とよぶ。
ニュートリノが質量を持つ場合に起こる。
ニュートリノ振動を実験で測定することにより、ニュートリノ混合角
（θ）と質量（∆m2）の知見が得られる。
大気・加速器ニュートリノ
大気ニュートリノ
地球の大気
宇宙線（陽子等）
Proton, He
π
π
π
π
µ
e
νµ 電子ニュートリ
νe
νµ
ミューオンニュートリノ
Super-Kamiokande
地球の裏側
から飛んで
くるミューオ
ンニュートリ
ノは半分に
減っている。
大気ニュートリノの上下非対称性の発見
Super-K
νµ J ν τ 振動の証拠
cos
Number of Events
θ
350 Multi-GeV µ-like + PC
ミューニュートリノ
300
のまま検出
250
ντ に変身
振動なし
の予想
200
150
ミューニュートリノがタウ 100
ニュートリノ変化しする
50
ので検出されない
0
1
-1
上向き
νµのまま
-0.5
0
cosθ
0.5
1
下向き
Data/Prediction (null oscillation)
ニュートリノの生存確率
Ｐ（νµÆνµ)
L/E分布
1.8
1.6
Best fit
expectation w/
systematic
errors
1.4
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
1
10
10
2
10
3
10
4
L/E (km/GeV)
ニュートリノの「振動」が見えた。
• ニュートリノは０ではない質量を持っている。
• 電子質量の１００万分の１程度。非常に小さい。
• 質量の起源？高エネルギーの物理が関係している可能性。
• ミューオンニュートリノÅÆタウニュートリノの振動確率が大きい
ν3 νe
νµ
ντ
• νµ~５０％、ντ~５０％ なぜ？クオークの混合と比較しても大
きい。より精密な測定が必要。
• νe~0? 電子だけ特別？なぜ？未知の原理がある？
• ミューオンニュートリノÆ電子ニュートリノ振動の測定が必要。
Ｔ２Ｋ実験へ
T2K実験（２００９年開始予定）
ＴｏｋａｉからＫａｍｉｏｋａへの長基線ニュートリノ実験
世界最大のニュートリノ
検出器
スーパーカミオカンデ
5万トン
世界最大強度のνµビーム
Kamioka
研究目的
J-PARC
0.75MW 50GeV PS
Tokai
ミューオンニュートリノÆ電子ニュートリノの探索
ミューオンニュートリノÆタウニュートリノの精密測定
大気ニュートリノ観測と相補的に研究を進める。
From Linac
to 3 GeV
3 GeV
Extraction Point
From 3 GeV to
Materials and Life
Middle of
Linac Tunnel
JPARC
Neutrino
Tunnel
Upstream of
Linac Tunnel
Tunnel
Tour
50 GeV Tunnel
T2Kスケジュール
2005
2006
2007
2008
2009
T2K construction
2011
First
results
SK full rebuild
Linac MR
2010
April 2009
ν commissioning
Full power
• Possible upgrade in future
– 4MW J-PARC + Hyper-K ( 1Mt water Cherenkov)
– 粒子・反粒子の違い？
– 陽子崩壊
振動パラメータの実験精度（ νµÅÆντ ）
大気ニュー
Ｔ２Ｋ
陽子崩壊探索
力の強さのパラメータ
素粒子の大統一理論
相互作用の統一
粒子の統一
Quark+lepton
エネルギー（GeV）
陽子が壊れ
ることが予
言されてい
る。
陽子崩壊の探索
p
u
u
d
+
e
X
d
d
π0
大統一理論により予言される
崩壊の頻度 Γ=10∼35年
たくさんの陽子が必要
Å ５万トン スーパーカミオカンデは世界最大の陽子崩壊実験装置
minimal SU(5)
minimal SUSY SU(5)
Super-K
SUSY SO(10)
1030 1031 1032 1033 1034 1035
陽子の寿命 (年)
• 陽子崩壊の発見
• 素粒子の基本理論の構築
を目指す。
SK-IIIではこのような現象を捉えたい
pJe+π0 シミュレーション
Super-Kamiokande
Run 999999 Event 294
102-11-06:00:06:35
Inner: 3849 hits, 8189 pE
Outer: 4 hits, 2 pE (in-time)
Trigger ID: 0x03
D wall: 946.1 cm
FC, mass =
909.0 MeV/c^2
e+
Charge(pe)
>15.0
13.1-15.0
11.4-13.1
9.8-11.4
8.2- 9.8
6.9- 8.2
5.6- 6.9
4.5- 5.6
3.5- 4.5
2.6- 3.5
1.9- 2.6
1.2- 1.9
0.8- 1.2
0.4- 0.8
0.1- 0.4
< 0.1
910
γ γ
728
546
364
182
0
0
500
1000
Times (ns)
1500
2000
超新星ニュートリノ
超新星SN1987a
超新星爆発とは？
重い星の最後の姿
内側から、
鉄
ケイ素
酸素
炭素
ヘリウム
水素
中心の鉄の核が重力崩壊して、中性子星やブラックホールになる現象。
超新星爆発が我々の身の回りにある物質の源泉
９９％のエネルギーがニュートリノになる。
Supernova SN1987a
１３秒間でKamiokandeが１１現象、IMBが８現象捉えた。
観測された現象から得られた爆発のエネルギー(~3 x 1053 erg)は
超新星爆発のシナリオと一致。
しかし、１９現象では爆発の詳細な情報は得られなかった。
スーパーカミオカンデで期待される現象の数
Neutrino flux and energy spectrum from Livermore simulation
(T.Totani, K.Sato, H.E.Dalhed and J.R.Wilson, ApJ.496,216(1998))
5MeV threshold
銀河中心
~7,300 νe+p events
~300 ν+e events
(-)
~100 νe+16O events
for 10 kpc supernova
銀河中心でおきれば、
全部で８０００イベント
近い数が期待される。
超新星爆発の時間発展
Time profile of the explosion
SN at 10kpc
平均温度の変化
中性子化バースト
Expected number of events in parentheses
Neutrino oscillations are not taken into account here.
爆発の時間発展を詳
細にみることができる。
50
events/bin
events/bin
電子散乱事象を使えば超新星の方向がわかる
Energy = 5-10 MeV
40
ν+e
30
20
νe+p
20
-0.5
0
0.5
ν+e
40
30
20
10
νe+p
-0.5
電子散乱の現象を使って
超新星の方向を２−３°の
精度で決めることができる
1
0
0.5
0
-1
νe+p
-0.5
0
0.5
cos(θSN)
25
Energy = 30-40 MeV
22.5
ν+e
20
17.5
15
12.5
10
7.5
5
2.5
νe+p
0
1
-1
-0.5
0
0.5
cos(θSN)
1
events/bin
events/bin
Energy = 20-30 MeV
50
0
-1
ν+e
80
40
cos(θSN)
60
SN at 10kpc
Energy = 10-20 MeV
60
10
0
-1
100
ニュートリノ天文学
1
cos(θSN)
超新星との方向分布
Figure from S.Ando
宇宙の進化
現在
超新星背景ニュートリノ
Neutrino Flux per sq-cm per second per MeV
期待される超新星背景ニュートリノのスペクトル
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2
Reactor ν
Solar 8B
Solar hep
10
1
10
10
10
10
10
10
10
Population synthesis (Totani et al., 1996)
Constant SN rate (Totani et al., 1996)
Cosmic gas infall (Malaney, 1997)
Cosmic chemical evolution (Hartmann et al., 1997)
Heavy metal abundance (Kaplinghat et al., 2000)
LMA ν oscillation (Ando et al., 2002)
超新星背景ニュートリノの予想
-1
Atmospheric ν
-2
-3
-4
-5
-6
-7
0
10
20
30
40
50
60 70 80 90 100
Neutrino Energy (MeV)
他のニュートリノに邪魔されず、観測できるエネルギー範囲がある。（~10-30MeV)
次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器
次世代実験ハイパーカミオカンデ
Super-K 22kton
Hyper-K 540kton
2 detectors×48m × 50m ×250m, Total mass = 1 Mton
comparison of data and MC in pJe+π0 search
まとめ
スーパーカミオカンデは再出発します。
完全なＰＭＴ数（２００６年∼）
高速、高精度エレクトロニクス（２００８年∼）
最強度加速器ニュートリノビーム（２００９年∼）
大気・太陽・超新星爆発ニュートリノ、陽子崩壊、、
若い方の参加を大歓迎します。大学院生を募集中。
神岡の見学も歓迎します。
もしさらに聞きたいことがあれば塩澤まで。
[email protected]
SK-I (1489日）
SK-II (804日）
全運動量
全運動量
ＳＫでの今までの結果（ pÆe+π0探索）
全質量
予想される領域に候補は、観測されなかった。
陽子の寿命の下限値：>8.4 x 1033 年
全質量
陽子崩壊から期待され
る範囲
ニュートリノ質量の不思議
クォーク、電子類の質量
質量（ｅＶ）
ニュートリノの質量は極めて小さい
柳田らのシーソー機構によってニュ
ートリノの軽い質量を説明できる：
?
mquark,lepton2
mν =
mR
重い右巻きニュートリノ
（＞＞１０１０GeV）
大統一理論のヒントがニュートリノ
質量に隠されているかもしれない。
世代