K2K -from KEK to Kamioka- Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment

長基線ニュートリノ振動実験（K2K実験）の最近の結果 (概要)
２００２年６月１２日 東京大学宇宙線研究所 高エネルギー加速器研究機構

（概要）   Ｋ２Ｋ実験は、高エネルギー加速器研究機構で人工的に発生させたミューニュートリノを２５０ｋｍ離れたスーパーカミオカンデで観測し、事象数の減少やエネルギー分布の変化を観測することによりニュートリノ振動を検出する実験である。昨年７月までに得られた全データを解析した結果、スーパーカミオカンデにより５６事象が観測された。ニュートリノ振動が起きないとした場合、予想される事象数は80.1（+6.2 -5.4）である。エネルギー分布の観測結果と総合して、ニュートリノ振動が起こっていない確率は１％以下となった。ニュートリノ振動とした場合、１９９８年にスーパーカミオカンデで発見された大気ニュートリノ振動の観測結果と非常に良く一致している。また、ニュートリノ振動といわれるゆえんの、観測事象数がエネルギーとともに振動的に振る舞う新しい現象が見え始めた。今後、スーパーカミオカンデの部分復旧を待ち、今年末を目途に実験を再開し、２〜３年で観測事象数を倍増する。これにより、ニュートリノ振動の振動的振る舞いを確実に観測すると共にニュートリノ振動のパラメータ（質量の2乗の差と混合角）を精度良く決定することを目指す。（詳しくはこちら） Ｋ２Ｋ実験グループ      実験代表者：西川公一郎 （京都大学） 国内参加機関（８機関）      高エネルギー加速器研究機構（KEK） 素粒子原子核研究所      東京大学宇宙線研究所（ICRR）      神戸大学      京都大学      新潟大学      岡山大学      東京理科大学      東北大学 国外参加機関（12機関）      Chonnam National University (Korea)      Dongshin University (Korea)      Korea University (Korea)      Seoul National University (Korea)      Boston University (USA)      University of California, Irvine (USA)      University of Hawaii (USA)      Massachusetts Institute of Technology      State University of New York, Stony Brook (USA)      University of Washington (USA)      Warsaw University (Poland)      Soltan Institute for Nuclear Studies (Poland)

長基線ニュートリノ振動実験（K2K実験）の最近の結果     （実験目的） １９９８年６月、５万トンの水チェレンコフ検出装置、スーパーカミオカンデによる大気ニュートリノ観測で、ニュートリノ振動が発見された。ニュートリノ振動は、３種類あるとされているニュートリノが質量を持つときに起こる現象で、生成されたニュートリノが飛行中に別種のニュートリノに変わるものである。　ニュートリノの質量は、現在の素粒子の標準理論ではゼロと考えられている。ニュートリノ振動の発見は、ニュートリノが微小ではあるが有限な質量を持つことを意味し、標準理論を超えた素粒子理論の構築の必要性を示している(図１)。また、ニュートリノの微小な質量は、背後に存在する巨大なエネルギースケールの世界、すなわち大統一理論の存在をも強く示唆している。Ｋ２Ｋ実験は、この大気ニュートリノ振動の観測結果を、加速器により発生させた人工ニュートリノを用いる実験で確認すると共に、振動パラメータ（質量の2乗の差と混合角）を良い精度で決定するものである。 （実験方法） 高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）の１２ GeV陽子シンクロトロンによりニュートリノビームを発生させる。このニュートリノはミューニュートリノである(注１)。ＫＥＫ敷地内には前置検出器が置かれている。その役割は、発生直後、ニュートリノ振動を起こす前のミューニュートリノの数とエネルギー分布を測定することである。ニュートリノビームは２５０ｋｍ離れたスーパーカミオカンデに向けて発射される(図２)。この人工ニュートリノは大気ニュートリノと同程度のエネルギーを持っているため、飛行距離２５０ｋｍの地球規模実験を行うことで、大気ニュートリノ振動を再現することが可能である。 Ｋ２Ｋは、世界で最初の地球規模長基線ニュートリノ振動実験である。 ＫＥＫからのビームは、約２秒に１回、約１００万分の１秒のパルスとして神岡に向け発射される。この時間情報により、ＫＥＫからのビームに起因するニュートリノ事象であることが判別できる。大気ニュートリノなど自然ニュートリノの事象が入り込む確率は、1/1000程度以下である(図３)。   （データの解析と結果） Ｋ２Ｋ実験では、ミューニュートリノビームの強度とエネルギー分布を前置検出器で測り、その変化を測ることで、ニュートリノ振動の研究をおこなう。ニュートリノ振動が起きれば、発生したミューニュートリノの強度は減少し、そのエネルギー分布は特徴的な歪みを示すはずである。今回の発表では、平成13年7月の発表に用いたデータに、同年5月−7月に取得したデータを加え、従って現在までに取得した全データを解析した。さらに、前回以降、系統誤差の理解が進み、解析の精度が上がった。また、生成されたニュートリノのエネルギー分布と、スーパーカミオカンデで観測されたエネルギー分布の比較を初めて定量的に行った。その結果、 １）ニュートリノ振動が起きないと仮定した場合、スーパーカミオカンデで予想される事象数は80.1（+6.2 -5.4）であるが、観測されたのは56事象であった。 ２）観測されたニュートリノのエネルギー分布（注２）は、ニュートリノ振動が無い場合と比較して、特徴的な歪みを示した(図４)。     （結論） 以上の結果から次のような結論が得られた。 Ａ）ニュートリノ振動が起きない場合、統計的ふらつきで上記の結果１）、２）のような観測結果になる確率は１%以下である。 Ｂ）ニュートリノ振動とした場合、スーパーカミオカンデの大気ニュートリノの観測結果と非常に良く一致している(図５)。また、図４で、エネルギーとともに事象数が振動的に振る舞う新しい現象が見え始めている。     （今後） 昨年１１月のスーパーカミオカンデの事故により、今年のＫ２Ｋ実験のデータ取得も延期されている。実験再開は、現在行われているスーパーカミオカンデの部分復旧作業が終了し、水槽の水が満水になる本年末頃を予定している。部分復旧では光電子増倍管の本数が５２４８本と当初の全数１１１４６本の約半数になるが、Ｋ２Ｋ実験では検出するニュートリノのエネルギーが高いため、観測に支障はない。 昨年７月までに、Ｋ２Ｋ実験は当初予定のほぼ半分のニュートリノビーム量を使用した。今後２〜３年ほどかけて、当初の目標どおりのニュートリノビーム量を使用し、スーパーカミオカンデでの観測事象数を倍増する。これにより、ニュートリノ振動の振動的振る舞いを確実に観測すると共に、振動パラメータ(質量の２乗の差と混合角)を精度良く決定することが可能となる。 １９８７年の超新星ニュートリノ観測によって始まった我が国のニュートリノ研究は、１５年後の現在、素粒子物理学および宇宙物理学の根幹にふれるまでに発展してきた。しかし、未発見の電子型―ミュー型間の振動の観測、宇宙の物質・反物質非対称性の謎を解明するのに必要なＣＰ非保存現象の発見等々、さらに研究すべき課題が多く残されている。我々は引き続きこれらの謎に挑戦していく所存である。 （注１） ニュートリノには、電子型、ミュー型、タウ型の３種類ある。大気ニュートリノ振動はミュー ニュートリノがタウニュートリノに変化したものである。Ｋ２Ｋ実験では発生したタウニュー トリノは検出できないため、ミューニュートリノを検出して、その減少を確認する。 （注２） スーパーカミオカンデによる測定でミューニュートリノのエネルギーを決めら れるのは、ミューニュートリノが中性子と反応してミュー粒子と陽子に変わる ２体反応の場合である。K2Kの実験条件ではミュー粒子だけがチェレンコフ光を 放射する。観測した56事象のうち、これに該当する29事象を用いてミューニュ ートリノのエネルギー分布を得た。

 

図１ ニュートリノの質量は、クォークや電荷を持ったレプトン（電子の仲間）に比べて、10桁以上小さい。この微小なニュートリノの質量は、その背後に巨大なエネルギースケールの存在を意味する。ニュートリノの質量は大統一理論への突破口である。	図２　高エネルギー加速器研究機構の陽子加速器により人工的に作られたミューニュートリノビームを、２５０ｋｍ離れたスーパーカミオカンデで検出する。地球が丸いため、ニュートリノは地球内部を直進する。
	図３　人工ニュートリノビームは約２秒に１回、およそ１００万分の１秒のパルスとして発射される。この図は、スーパーカミオカンデで観測された、ビームに起因するニュートリノ事象の時間分布を示す。横軸の０の位置は、ビームの先端がスーパーカミオカンデに到着した時刻を示す。ビーム事象の周りには何もない。これは、ビーム事象が大気ニュートリノなど、他の事象とはっきり区別でき、バックグラウンドが無いことを示している。

 
 

図４　スーパーカミオカンデで検出された人工ニュートリノ起因の事象のエネルギー分布。青い線は、ニュートリノ振動が無い時に期待される分布。赤い線は、ニュートリノ振動を仮定して、データに最も良く合うようにニュートリノ振動のパラメータを決めたときのエネルギー分布。このパラメータは大気ニュートリノ振動のパラメータと良く一致している。赤線は低エネルギーで明らかに振動的に変化している。データもこの振動的振る舞いが見え始めているが、それを確証するにはさらにデータが必要である。	図５　Ｋ２Ｋ実験で得られたニュートリノ振動のパラメータ(質量の２乗の差と混合角)領域。横軸が混合を縦軸が質量差を表す。９０％信頼度の領域を示す。スーパーカミオカンデの結果も示してある。Ｋ２Ｋ実験の結果の範囲はまだ広いけれども、スーパーカミオカンデを良く再現していることが分かる。今後の実験で、さらにこの許される領域を狭くしてゆく。

 

www@neutrino.kek.jp   Last modified: Sat Jun 15 12:29:31 JST 2002

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