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

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1 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)

2 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, Dm232 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 1600nmCC/yr/22.5kt (2.5deg) 2

3 J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex
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） 50GeVシンクロトロン （0.75MW) ５００ｍ！ 物質・生命科学実験施設 核変換実験施設 3GeVシンクロトロン （25Hz,1MW） ニュートリノ実験施設 （神岡検出器へ) 線形加速器 (350m) J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex

4 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) ほとんど何ともぶつからず通り抜ける。
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（？）

5 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。

6 ニュートリノはなぜかとても軽い。 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。
対数 ３ｇ １兆ｘ１兆 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) 1010 108 ニュートリノ以外の素粒子 106 104 ２ｇ １兆ｘ１兆ｘ１０００億 102

7 ニュートリノは、この間にやっと１回反応する程度
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 太陽からのニュートリノの場合 地球 大気ニュートリノの場合は鉄約１億ｋｍで１回。

8 身近なニュートリノの例 太陽から来るニュートリノ 大気ニュートリノ 宇宙初期から宇宙を満たすニュートリノ 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

9 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 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 のニュートリノが太陽から降ってきている。 電子ニュートリノ 重陽子(陽子+ 中性子) (陽)電子

10 自然界のニュートリノ(2): 大気ニュートリノ
p, He 高さ=10-20 km 一次宇宙線(陽子、ヘリウム) p±, K± L = 10~30km L=13000km p, He ... n nm m± e± nm ne 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。

11 宇宙の中のニュートリノ ３種類のニュートリノ 電子型 ne ミュー型 nm タウ型 nt それぞれ １０億個！ ２ｍ

12 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

13 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、
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。

14 ニュートリノ振動とは？ nm nt 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。 nm nt ミューニュートリノ タウニュートリノ

15 T2K実験での測定 ミューニュートリノ を作る。 (東海) 約１０００分の１秒で神岡に到達
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。

16 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。

17 ニュートリノ施設 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 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 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 一次陽子ビームライン(超伝導) ビームダンプ ターゲットステーション完成 17 Decay volume completed

18 ニュートリノ検出器：スーパーカミオカンデ
反応標的:水50000トン(超純水) 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 スーパーカミオカンデ ４０ｍ 岐阜県 神岡町池の山 １０００ｍ ４０ｍ 東京大学宇宙線研究所

19 スーパーカミオカンデと光電子増倍管

20 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。)

21 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 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。
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

22 期待されるニュートリノの数 (１日に2兆5千万個) 22

23 J-PARCから来たニュートリノを識別：ＧＰＳ
大気ニュートリノ　　　１日　約１０個 到着時間で区別する GPS (１０００万分の１秒の誤差) 今きたよ SK ニュートリノ飛行時間 約１０００分の１秒 今うったよ J-PARC

24 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

25 mとeの識別 m e 素直に走るためパターンがきれいなリング 電磁シャワーを起こすためパターンが汚い e- e+ g e- e- e- g
25

26 nmne振動で予想される信号と感度 sin22q13 nm(CC+NC) Beam ne Osc’d ne 0.1 10 17 143
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 nm(CC+NC) Beam ne Osc’d ne 0.1 10 17 143 26

27 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

28 J-PARC Neutrino Facility Start Operation
28

29 まとめ。予定。 T2K実験 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。
原研東海村のJ-PARCを用いて、これまでの約１００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。

30 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

31 １９９８年６月５日 ニュートリノ振動発見！

32 なんと！ 祝２００８年ノーベル物理学賞！ 南部陽一郎氏 小林誠氏(元KEK素核研所長) 益川敏英氏(元京大基研所長)
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。

33 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？
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？

34 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 中性子 電子 ニュートリノ 原子核 原子核をくっつけるノリ 　パイ中間子

35 素粒子と力 弱い力 　β崩壊 強い力 核力 原子核を保つ 重力 電磁気力 森羅万象 強い 弱い

36 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 。

37 (Quantum Chromo Dynamics)
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) 電磁気学 量子電磁力学(QED) 標準模型 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

38 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（？） 電子ニュートリノ（ne） ミューニュートリノ（nm） タウニュートリノ（nt） 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（？）

39 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ne 大気(からの)ニュートリノ ～GeV ～1個/cm2/秒 宇宙線(p,He)と大気分子の衝突で生成されるnm, ne 地球(内部からの)ニュートリノ ～MeV ～400万個/cm2/秒 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 ～10MeV ～1000億個/cm2 電子陽電子対消滅などからのne,nm,nt SN1987A(15万光年) 宇宙背景ニュートリノ ～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。 ne,nm,nt

40 ニュートリノはなぜかとても軽い。 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 ３ｇ １兆ｘ１兆 1010 108 ニュートリノ以外の素粒子 106 104 ２ｇ １兆ｘ１兆ｘ１０００億 102

41 ニュートリノは、この間にやっと１回反応する程度
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 太陽からのニュートリノの場合 地球 大気ニュートリノの場合は鉄約１億ｋｍで１回。

42 ニュートリノの謎 極端に軽い（質量が小さい） 世代間の関係は？
ne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 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 世代間の関係は？ 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！！

43 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

44 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

45 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)

46 われわれの銀河の “ごく近く”。(伴銀河)
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)

47 カミオカンデが捉えた超新星のデータ 秒 １３秒間に１１個のニュートリノを捕らえた。 e+ ne
ニュートリノのエネルギー Visible energy (MeV) １３秒間に１１個のニュートリノを捕らえた。 ne + p  e+ + n e+ ne 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 p n バックグラウンドレベル 秒 JT: 1987 Feb 23 16:35:35 (±1min) UT: :35:35 Time

48 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 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。
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

49 mとeの識別 m e 素直に走るためパターンがきれいなリング 電磁シャワーを起こすためパターンが汚い e- e+ g e- e- e- g

50 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
Super-K 大気ニュートリノの上下非対称性の発見 nm g n t 振動の証拠 上向き 下向き nmのまま nt に変身 ミューニュートリノのまま検出 決定的証拠！ 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

51 大発見！ 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？

52 ニュートリノビームの作り方 m nm p p+ 崩壊領域 収束 陽子 標的 装置 ビーム ビームダンプ p beam
収束装置: 電磁ホーン 磁場強さ B 半径 ｒ Aluminum 電流 磁場 p beam p+ 純粋なnm 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

53 スーパーカミオカンデ 41.4m 40m ５００００トンの容積の水タンク （４２ｍ高さ、４０ｍ直径） １１１４６本の２０インチ光電子増倍管
（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 41.4m 40m 53

54 ターゲットステーション内の機器 4月よりビーム受入れ ＲＥＡＤＹ！ 54 ビームコリメータ 設置済み(英) ビーム窓 設置済み (英)
標的完成 設置済み。 第3ホーン完成 試設置済み 2009夏設置予定 標的直上流陽子モニター (カナダ)完成、設置済み。 54 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。

55 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 250km ４０ｍ K2K (1999~2005?) 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