大型地下実験の現状と将来 - 東京大学

大型地下実験の現状と将来
東京大学宇宙線研究所
神岡宇宙素粒子研究施設
塩澤真人
Thanks to
陽子崩壊・ニュートリノ検出器関係者
XMASSグループ
KamLANDグループ
CANDLESグループ
陽子崩壊探索とニュートリノ実験（0νββ探索）
• これまで
• 次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器
• 2重ベータ崩壊探索実験
2009年6月1日学術会議シンポジウム
ニュートリノ混合と質量の発見
特に最近10年間での飛躍的な進展。
− 大気ニュートリノ νµντ
− Super-K
− 太陽ニュートリノ νeνµ,ντ
− Homestake, Kamiokande, SAGE, GALLEX, Super-K, SNO,
Borexino
− 原子炉ニュートリノ anti-νeanti-νµ,ντ
− CHOOZ, KamLAND
− 加速器ニュートリノ νµντ
− K2K, MINOS
− ニュートリノ質量
−
−
∆m212=(7.65+0.23-0.20)x10-5eV2
|∆m223|~|∆m231|=(2.40+0.12-0.11)x10-3eV2
−
−
−
sin2θ12=0.304+0.022-0.016
sin2θ23=0.50+0.07-0.06
sin2θ13<0.04
上限値のみ
−
δ, α1, α2
− 混合角
正負（3世代の階層構造）は未解明
− CPフェーズ (Dirac 1 and Majorana 2)
全て未解明
− Dirac or Majorana?
未解明
2009年6月1日学術会議シンポジウム
ニュートリノ混合
レプトン
(ν e ,ν µ ,ν τ )T = U (ν 1 ,ν 2 ,ν 3 )T
UはMaki-Nakagawa-Sakata混合角
0.834
0.788


| U MNS |=  0.439 − 0.557 0.479 − 0.701
 0.439 − 0.557 0.479 − 0.701

0 − 0.2 

0.707 
0.707 
エラーはsinθ13とδ起源のみ表示。エラーなし項の測定エラーは5－15%。
クォーク
( d ' , s ' , b' )T = V ( d , s , b)T
VはCabibbo-Kobayashi-Maskawa混合角
 0.97419 0.2257 0.00359 


| VCKM |=  0.2256 0.97334 0.0415 
 0.00874 0.0407 0.999133 


測定エラーは<1%。最大で5%。
|UMNS|は非対角成分も非常に大きい。|VCKM|~I なぜか？
ニュートリノはまだ未測定のパラメータも存在する。 θ13,δ,α1,α2
2009年6月1日学術会議シンポジウム
レプトンとクォークの質量
＞10 6
（標準階層構造を仮定）
シーソー機構？
混合や質量を説明するモデル構築のために必要な測定はなにか？
• θ13, δ, α1, α2の測定。＋他の混合角の精度向上？
• ニュートリノ質量（階層構造の解明も）
• マヨナラ性 ν = ν ? （質量の起源）
2009年6月1日学術会議シンポジウム
• クォーク＋レプトン両方同時説明する必要あり
• 超高エネルギーの物理の存在（ニュートリノ質量の起源？）
大統一理論（GUT)へ
３つの相互作用の統一、クォーク・レプトンの統一
大きなゲージ対称性、SU(5), SO(10), E6… with SUSY?
多くの間接的な（実験的・理論的）示唆はあるが、確定的な証拠はない。
モデルの詳細を決めまでにいたらず。
陽子崩壊探索はGUTの直接的な検証
• GUTモデルの排除
• 発見  GUTの存在の証拠、モデルの詳細情報を引き出す
p
u
u
d
q~
+
e
X
d
d
g 4 m5
p
Γ( p → e+π 0 ) =
M4
X
π0
p
u
u
d
~
w
q~
~
HC
ν
s
d
h 4 m5
p
+
Γ( p →νK ) =
2
M M2
Hc X
2009年6月1日学術会議シンポジウム
Κ+
Babu@NNN08
• これまでの陽子崩壊のベストな制限値は、Super-Kから。
• 約6年のlivetimeで、陽子寿命の制限を10~30倍改善。
• 感度を上げる（大型化）により、より多くのモデルの検証が可能になる。
2009年6月1日学術会議シンポジウム
次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器
2009年6月1日学術会議シンポジウム
神岡町栃洞坑
ハイパーカミオカンデ
Height 40m
リングイメージング水チェレンコフ検出器
Hyper-K
1Mton total vol.
540kton fiducial vol.
内水槽 {D43m x L(5x50m)} x 2
PMT ~100,000 (20inch)
20％）
(センサーの被覆率
2009年6月1日
学術会議シンポジウム
Dia. 43m
Height 54m
Super-K
50kton total
22kton fiducial
陽子崩壊pe+π0 channelの探索
e+
γ
γ
SK-II (half PMT) forward-backward display for pe++π0
• 物理量の測定精度は、被
覆率40%と20%でほぼ同じ
• 陽子崩壊の検出感度と
Selection Criteria
 2 or 3 Cherenkov rings
 All rings are showering
 85 < Mπ0 < 185MeV/c2
(3-ring)
 No decay electron
 800 < Mproton < 1050 MeV/c2
Ptotal < 250 MeV/c
*for Next Generation, tighter cut
Ptotal<100MeV/c may be
applied
60%
60%
RMS resolution
SK-I: 28.7 MeV
SK-II: 38.4 MeV
39%
38%
バックグラウンドも同程度
Proton Mass
2009年6月1日学術会議シンポジウム
Number of rings
pe + π0 期待される感度
• Ptot < 250 MeV/c (SK cut)
BG=2.2 ev/Mtonyrs, eff.=44%
• Ptot < 100 MeV/c (tighter cut)
BG=0.15ev/Mtonyrs, eff.=17.4%
HK
10 years
BGはK2K ν beamで確認。
PRD77:032003,2008
SK-I + SK-II
0.14Mtyr

8.2x1033 yrs @ 90% CL
Normal cut:
Tight cut:
90%CL
3σ CL
90% CL
3σ CL
HK(0.5 Mt):10years
5.0Mtyr

~1035 yrs @ 90% CL
2009年6月1日学術会議シンポジウム
+
pνK sensitivity
γ
K + π+π0
γ
backward π+
HK
10 years
SK-I (full density) forward-backward display
SK-I + SK-II
0.14Mtyr

2.8 x 1033 yrs @ 90%CL
HK(0.5 Mt):10years
5Mtyr

~2 x1034 yrs @ 90% CL
2009年6月1日学術会議シンポジウム
その他の物理
• Far Detector in future T2K
• νT2K@SK = νT2K@HK, Hyper-K/Super-K~20
• CPフェーズの測定を目指す。
詳細は中家さんの発表
• 大気ニュートリノの精密観測
• δ, θ13, 質量階層構造 (sin2θ13 >~0.01)
• θ23<π/4 or θ23=π/4 or θ23>π/4
• 超新星爆発ニュートリノ
• 爆発のメカニズムの解明
• 質量階層性？
• 太陽ニュートリノ
• 昼夜のフラックス差（地球によるニュートリノ振動の測定）
• Hepニュートリノの測定
2009年6月1日学術会議シンポジウム
大規模地下空洞立地可能性調査
鉛断層
ボーリング孔での調査
(horizontal Direction：N79ﾟE，Length：250m)
・ボアホールTV観察による亀裂の頻度、方向調査
・孔内載荷試験による、岩盤の変形係数と弾性係数の
測定
Borehole Loading
Tests at 6 Points
トンネル(Direction：N17ﾟW，Surveyed length：271.9m)
亀裂調査、岩石採取（物性測定）
Hyper-K候補地
2009年6月1日学術会議シンポジウム
大空洞の安定性解析
Huge Tunnnel
W48m×H54m
2070m2
クラックテンソル解析
• 亀裂岩盤を異方弾性体として表現した有限要素解析
• 初期応力は土被り圧、等方と仮定
• 水槽の向きは南北方向
中心部でのせん断ひずみ分布
（黄色が0.3%）
Anisotropic Elastic Analysis
2.5m
2.5m
Z
Y
X
空洞壁の変位分布
（赤が~100mm）
2.5
1.0
0.75
0.5
0.3
0.15
0.1
0.075
0.05
0.025
0.0
(%)
せん断ひずみ＞0.3%が2.5ｍ
100.
Direction:N-S
90.
80.
70.
60.
50.
40.
30.
55mm
Z
20.
10.
YX
(mm)
0.
変位が中央で55mm
水槽の方向は南北方向がベター（亀裂が東西方向に多い）
大空洞の実現可能性を示した。
2009年6月1日学術会議シンポジウム
Hyper-K 建設コスト（？）
詳細な検出器デザイン、開発、見積もりが必要
以下は現時点で可能と思われる超概算
•
•
•
•
•
•
•
空洞掘削
水槽外壁（プラスチック）
PMT支持＋上部構造
PMT＋防爆ケース＋ケーブル
エレクトロニクス
外水槽
その他
1.3Mm3
40,000m2
100,000
100,000
@¥20,000
@¥40,000
SK x 10
@¥350,000
@¥30,000
• 合計
260億円
16億円
40億円
350億円
30億円
10億円
20億円
726億円
2009年6月1日学術会議シンポジウム
R & Dアイテム（3年で絞込み、＋２年で完了）
• PMT＋読み出しエレクトロニクス
–
–
–
–
Hybrid Photo Detector (光電面＋シリコン検出器)
大型High QE PMT
最適なPMTサイズの決定（QE, 防爆ケース）
読み出しエレクトロニクス
• 水中でのAD変換？ ケーブルコスト（~10億円）削減？
– 防爆ケース（デザイン＋試験？）
– 取り付け方法（コスト＋建設時間）
• 水槽壁
– プラスチック壁と水槽内構造体との取り合い
• 純水の循環サイクル低下の影響
– 透過率低下の問題がないか？水槽内物質のクリーン化？循環システム
増強？
• 空洞掘削
– 初期圧力測定や追加ボーリングが必要か？専門家との議論。
コストダウンと建設時間短縮が重要なテーマ
国際協力の可能性の議論もされている
2009年6月1日学術会議シンポジウム
Hyper-K タイムテーブル
2
0
0
9
2
0
1
0
2
0
1
1
2
0
1
2
2
0
1
3
2
0
1
4
2
0
1
5
2
0
1
6
2
0
1
7
2
0
1
8
2
0
1
9
2
0
2
0
2
0
2
1
2
0
2
2
2
0
2
3
2
0
2
4
2
0
2
5
2
0
2
6
2
0
2
7
R&D optionの絞込み
R&D完了
Hyper-K建設
7~10年
Hyper-K運転
2009年6月1日学術会議シンポジウム
2
0
2
8
大型液体アルゴンTPC検出器
大型化(>~100kton)が可能
になれば、granularity、エネ
ルギー精度、imaging能力に
優れたニュートリノ・陽子崩壊
検出器になる。
10L0.4ton R&D in KEK
• pe+π0
• ε=45%, 1BG/Mtyr
• 4x1034 years with
ICARUS T600運転開始予定
10 years data
• pνK+
• ε=97%, 2BG/Mtyr
• 5x1034 years with 10
years data
• H20m x D80m, ~100kton
• 隠岐の島（on-axis of T2K beam）
• 盛り土～１００ｍ
2009年6月1日学術会議シンポジウム
JHEP04(2007)041
0νββ探索
∑
i
Nucl
e–
Uei
νi
ν Mass
νi
X
W–
W–
e–
Mixing
matrix
Uei
Nuclear Process
Nucl’
Amp[0νββ] ∝ ∑ miUei2≡ mββ
ニュートリノ質量（階層性）に依存する
CPフェーズにも依存
研究テーマ；
ニュートリノはマヨナラ粒子か？
ν=ν?
ニュートリノ質量（階層構造）の解明
シーソー機構、宇宙の物質生成機構とも関係
2009年6月1日学術会議シンポジウム
S. Moriyama
1. X M ASS (X enon M ASSive detector)実験の概要
XMASS phase III
Phase
Iと並行にR&D
今後4年計画
直径2.5m,
20トン以上
約1トン
暗黒物質探索
pp ニュートリノ
二重ベータ崩壊
大型極低BG検出器によるdiscoveryを狙う実験計画
2009年6月1日学術会議シンポジウム
Phase I I における二重ベータ(0νββ)崩壊探索
S. Moriyama
• ニュートリノがマヨラナ粒子であるか。物質反
in eV
物質非対称性にも深く関係している可能性。
1
∆m223
∆m212
濃い領域はbest fit値の場合
10-1
10-2
∆m212
∆m223
Normal Inverted
0νββの寿命
目標値~1027y
10-3
10-4 -4
10 10-3 10-2 10-1
1
Lightest neutrino mass in eV
学術会議シンポジウム
光センサの放射線をさらに抑える
A. Strumia and F. 2009年6月1日
Vissani
将来計画
カムランドの中心に136Xeを溶かした液体シンチレータを吊す。
カムランド200
カムランド1000
１年で世界最高感度を達成した後、
５年で縮退構造を検証 (~60meV)
K. Inoue
将来の拡張性
発光量の向上と集光率の向上。
極低放射能環境の活用を容易にするため導入口を
拡張および補強。
較正装置
カムランドは確立した技術を使って安価
に世界最高感度を実現できる。
Xe 1000 kg含有
光センサー
発光量40％改善
半径1.35mバルーン
集光率80％向上
半径6.5mバルーン
Xe 200 kg含有
半径9mステンレス球
136Xe含有
液体シンチレータ
液体シンチレータ
バッファーオイル
KKDCクレイム
縮退構造
逆階層構造
標準階層構造
カムランド200
直接検証
カムランド1000
消去法で確認
純水
○原子炉反ニュートリノによるニュートリノ振動の精密測定
○地球内部起源反電子ニュートリノ観測によるニュートリノ地球物理の展開
を並行して行う。カムランド1000では観測精度も向上する。
ニュートリノレス二重β崩壊の感度
m1 m2 m3
m2
m1
mββ
1eV
100meV
1年
10meV
1ton
必要重量
60meV
200 kg 5年
1000 kg 5年
136Xe
将来の拡張
CUORE 130Te
純化のR&Dが必要 (2011-)
SuperNEMO 150Nd/82Se
純化・150Nd濃縮のR&Dが必要 (2013-)
ββ
標準階層構造
(2012-)
カムランド
30億円以上
のコスト
m
m2
m1
逆階層構造
100meV
100kg
10kg
6億円
>10meV
m3
縮退構造
136Xe
m3
mββ
>60meV
KKDCクレイム
カムランド
K. Inoue
204kg
5年
プロトタイプ稼働率実績64%
100kg
5年
CANDLES
CAlcium fluoride for studies of Neutrino and Dark matrters
by Low Energy Spectrometer
• 大型化：CaF2結晶
– 減衰長≧10m
Liquid Scintillator
(Veto Counter)
• 低BG化：CANDLES
– 遮蔽：液体シンチ、水
– 低BG結晶開発
– パルス波形
• 高分解能化
– PMT + ２層システム
CaF2(Pure)
mββ~10-2 eV まで
Pure water
4月10日ヒアリング
Large PMT
H. Ogawa
研究計画
mν (eV)
10
1.0
0.1
0.01
ELEGANTS VI
CaF2 (6.4 kg)
大塔
縮退
領域
HDM実験
逆階層
領域
CANDLESシリーズ
III:基盤（A,B）
III地下：基盤（S）
CaF2 (305 kg)
濃縮確認
IV：大型科研費
CaF2 (3.4ｔ)
濃縮法の最適化
48Caのββ崩壊
の全てを研究
次世代
CaF2 (10ｔ)
48Ca : 1%
CaF2 (30ｔ)
48Ca : 5%
o
o
Ca o
o ion o
o
順階層
領域
クラウン・エーテル
48Caの濃縮（実験室からプラントへ）
4月10日ヒアリング
H. Ogawa
大型地下実験まとめ
• 陽子崩壊とニュートリノの性質は、レプトンと
クオークを統一的に理解するかぎ
– 陽子崩壊（大きな枠組みGUTの検証)
– 質量の絶対値（階層構造の解明）
– マヨナラ性
– θ13、CPフェーズ測定、＋混合角の精度向上
• 将来の大型地下実験
– ハイパーカミオカンデ、液体アルゴンTPC
– XMASS-II、KamLAND+Xe、CANDLES-III
2009年6月1日学術会議シンポジウム

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