ハイパーカミオカンデの物理 - 島根大学総合理工学部物質科学科物理

ハイパーカミオカンデの
物理
横山将志（東京大学理学系研究科）
2015年1月10日
ニュートリノ・現象論小研究会@島根大
Brief History...
• 1987年超新星爆発ニュートリノの初観測【カミオカンデ】
• 「ニュートリノ天文学」の誕生, 小柴先生がノーベル賞受賞
• 1998年大気ニュートリノ振動の発見【SK】
• 世界各地でニュートリノ振動の研究競争がはじまる
• 1999年世界初の長基線ニュートリノ振動実験【K2K実験】
• 加速器を用いて人工的に生成したニュートリノ振動実験
• 2001年太陽ニュートリノ振動の発見【SKほか】
• 2002年原子炉ニュートリノ振動の発見【KamLAND実験】
• 2009年陽子崩壊の制限 τ /Br >10 years【SK】
• 2011年最後の混合角 θ (ν →ν 振動) 発見【T2K実験】
34
proton
13
μ
e
ニュートリノ研究、陽子崩壊探索において
日本は常に世界をリードしてきた
2
Three generations of
Water Cherenkov Detectors at Kamioka
Kamiokande
(1983-1996)
Super-Kamiokande
(1996-)
Hyper-Kamiokande
(202?-)
3kton
50kton
1Mton=1000kton
(560kton fiducial)
x17
x20
(x25 fiducial mass)
3
arXiv:1109.3262
arXiv:1412.4673
Hyper-K 設計値
(参考:Super-K)
空洞の大きさ 48m(W) 54m(H) 247.5m(L) 2
1区画の大きさ
48m(W) 54m(H) 49.5m(L)
39m(φ) 42m(H)
純水の総質量
0.99メガトン (0.5メガトン 2)
50キロトン
×25
有効質量
560キロトン (56キロトン 10)
22.5キロトン
光検出器
内部検出器：99,000 (50cm径)
11,146
外部検出器：25,000 (20cm径)
1,885
4
多目的検出器ハイパーカミオカンデ
• ニュートリノ混合の全容解明
• 長基線加速器ニュートリノ実験
• 大気ニュートリノ観測
• 核子崩壊の探索
• 超新星バーストニュートリノ
• 超新星背景ニュートリノ
• 太陽ニュートリノ精密測定
• WIMP, GRB,…
• 地球内部の測定
素粒子物理／宇宙物理学の幅広いトピックをカバー
SK/T2Kの成果を受け，さらに１桁上の感度で未踏の領域へ
5
術
域
号
計画の状況
• 研究者コミュニティからのサポート
• 高エネルギー物理分野の基幹計画のひとつ
• 将来計画検討小委員会(2012年2月)
• 宇宙線研究者会議でも議論・支持
• 日本学術会議マスタープラン2014 (2014年2月)
• 27の重点大型計画に選定
計画名称
学術的な意義
社会的価値
計画期間
スーパーカミオカンデに代わる
100万トン級水チェレンコフ検出
大型先端検出器による核子崩壊・
器ハイパーカミオカンデを建設
ニュートリノ振動実験
し、J- A C加器ニュートリノ
Nucleon decay and neutrino
ビームと組み合わせる事により、
oscillation experiment with a
世界最先端の核子崩壊・ニュー
large advanced detector
トリノ研究を行う。
ニュートリノにおけるCP対称性
（粒子・反粒子対称性）の破れを
探索し、ニュートリノに満ちた宇
宙の進化論に対する理解を深め
る。さらに核子崩壊探索と合わ
せ、素粒子物理学の標準理論を
超える物理の確立を目指す。
素粒子の大統一理論や宇宙進
化の謎に迫ることにより、人類の
知的好奇心に訴える問題に挑戦
する。また我が国が主導してき
たニュートリノ研究の飛躍的発
展により、国民に基礎科学の夢
とロマンを与えたい。
H27 ー H50 ：ハイ
パーカミオカンデ
地質調査及び建
設、運転
H35-H50：
J- A C大強度運
転
高エネルギー重イオン衝突実験
(RHIC-PHENIX/LHC-ALICE 実
験)を国際協力の下で推進し、宇
宙開びゃく直後の姿である新し
ハドロン物質の相構やQGP物
性の理解を通じて、普遍的な物
質相構の理解が得られる。カ
イラル対称性の自発的破れや
宇宙開闢後の姿であり、超高温
下で顕在するQGPは、新しい物
質状態として、私たちの物質観
や豊かな物質相に非常に重要な
高エネルギー重イオン衝突実験
によるクォーク・グルーオン・プラ
ズマ相の解明
計画の概要
所要経費
（億円）
○ハイパーカミオカン
デ：建設費800、運転
経費等 30/ 年（ 15 年
間）
○J- A C：運転経費
40/年（15年間）
○前置検出器：建設
費約30
H26-H31：
RHIC-PHENIX/LHCPHENIX/ALICE 実 ALICE 実験遂行、国
験測定器高度化内 • 海外研究拠点
H26-H35：
(CERN 研究所 ) の設
主な実施機関と
実行組織
東京大学宇宙線研究所と高
エネルギー加器研究機構
が中心となり推進し、国内外
の大学・研究機関の参加も
予定。
筑波大学(数理物質系、研究
総括機関) 、東京大学( 理学
系研究科) 、広島大学( 理学
6
研究科)、理化学研究所(仁
計画の状況
• 研究者コミュニティからのサポート
わるニュ
ー高エネルギー物理分野の基幹計画のひとつ
トリノにおけるCP対称性素粒子の大統一理論や宇宙進 H27 ー H5
•
検出（粒子・反粒子対称性）の破れを化の謎に迫ることにより、人類のパーカミオ
建設探索し、ニュー
トリノに満ちた宇知的好奇心に訴える問題に挑戦地質調査
• 将来計画検討小委員会(2012年2月)
リノ宙の進化論に対する理解を深めする。また我が国が主導してき設、運転
• 宇宙線研究者会議でも議論・支持
り、る。さら
に核子崩壊探索と合わたニュートリノ研究の飛躍的発 H35-H50：
ューせ、素粒子物理学の標準理論を展により、国民に基礎科学の夢 J- A C大
日本学術会議マスタープラン2014
(2014年2月)
•
とロマンを与えたい。
超える物理の確立を目指す。
転
27の重点大型計画に選定
•
実験ハドロン物質の相構やQGP物宇宙開闢後の姿であり、超高温 H26-H31：
術
域
号
学術的な意義
実
、宇
新し
ルー
を展
計画名称
計画の概要
学術的な意義
性の理解を通じて、普遍的な物
質相構の理解が得られる。カ
イラル対称性の自発的破れや
クォークの閉じ込め機構、高強
度場の物理、非線形動力学や強
相関物性現象の解明に繋がる。
社会的価値
所要経費
主な実施機関と
社会的価値るQGPは、新しい物
計画期間
下で顕在す
PHENIX/A
（億円）
実行組織
質状態として、私たちの物質観験測定器
や豊かな物質相に非常に重要な H26-H35：
知的価値を与える。最先端の測 PHENIX/A
定器開発は、各種放射線測定機験遂行と
6
器などの技術促進に繋がる。
スーパーカミオカンデに代わる
100万トン級水チェレンコフ検出
大型先端検出器による核子崩壊・
器ハイパーカミオカンデを建設
ニュートリノ振動実験
し、J- A C加器ニュートリノ
Nucleon decay and neutrino
ビームと組み合わせる事により、
oscillation experiment with a
世界最先端の核子崩壊・ニュー
large advanced detector
トリノ研究を行う。
ニュートリノにおけるCP対称性
（粒子・反粒子対称性）の破れを
探索し、ニュートリノに満ちた宇
宙の進化論に対する理解を深め
る。さらに核子崩壊探索と合わ
せ、素粒子物理学の標準理論を
超える物理の確立を目指す。
素粒子の大統一理論や宇宙進
化の謎に迫ることにより、人類の
知的好奇心に訴える問題に挑戦
する。また我が国が主導してき
たニュートリノ研究の飛躍的発
展により、国民に基礎科学の夢
とロマンを与えたい。
高エネルギー重イオン衝突実験
(RHIC-PHENIX/LHC-ALICE 実
験)を国際協力の下で推進し、宇
宙開びゃく直後の姿である新し
ハドロン物質の相構やQGP物
性の理解を通じて、普遍的な物
質相構の理解が得られる。カ
イラル対称性の自発的破れや
宇宙開闢後の姿であり、超高温
下で顕在するQGPは、新しい物
質状態として、私たちの物質観
や豊かな物質相に非常に重要な
高エネルギー重イオン衝突実験
によるクォーク・グルーオン・プラ
ズマ相の解明
計画期
H27 ー H50 ：ハイ
パーカミオカンデ
地質調査及び建
設、運転
H35-H50：
J- A C大強度運
転
○ハイパーカミオカン
デ：建設費800、運転
経費等 30/ 年（ 15 年
間）
○J- A C：運転経費
40/年（15年間）
○前置検出器：建設
費約30
H26-H31：
RHIC-PHENIX/LHCPHENIX/ALICE 実 ALICE 実験遂行、国
験測定器高度化内 • 海外研究拠点
H26-H35：
(CERN 研究所 ) の設
東京大学宇宙線研究所と高
エネルギー加器研究機構
が中心となり推進し、国内外
の大学・研究機関の参加も
予定。
筑波大学(数理物質系、研究
総括機関) 、東京大学( 理学
系研究科) 、広島大学( 理学
研究科)、理化学研究所(仁
International Working Group
Hyper-Kamiokande International Working Group
As of Dec. 2014
Europe
111
France
10
Italy
15
Poland
4
Russia
7
Spain
3
Switzerland
22
UK
50
Asia
73
Japan
65
Korea
8
日米欧から多数の参加
国際共同で推進中
Americas
63
Brazil
2
Canada
19
USA
42
12 countries, 67 institutes, ~250 people
オープンミーティング
年２回開催
（誰でも参加歓迎）
次回：2015/01/29-31
Kavli IPMU（柏）
Last HK meeting @ Vancouver
http://bit.ly/6th-hyperk
新規参入大歓迎
7
大型水チェレンコフ検出器
基本技術はSuper-Kですでに確立
~20倍の大型化を安価に実現するための開発
8
目標タイムライン
Construction
JFY
2012
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
Cavity excavation
Survey, Detailed design
Access tunnels
Operation
Tank construction
water filling
Photo-sensor development
Photo-sensor production
sensor installation
Prototype detector
J-PARC Power Upgrade
~240kW
-2018
-2025
-2028
-2030
-20xx
-20xx
T2K will accumulate
approved POT
750kW and beyond
建設（掘削）開始
実験開始
レプトンCP非保存の発見？
陽子崩壊の発見！？
超新星バーストニュートリノ観測
予想しないなにかの発見（サプライズ）
9
実現に向けて
• 2015年1月第6回オープンミーティングで， proto-collaboration 結成予定
• 建設予算獲得に向けた国際的組織へ
• 予算・責任の分担を明確化
• 1年以内に Conceptual Design Report を準備
• 宇宙線研+KEKによる国際レビューを予定
• 予算要求 → 建設開始へ
ご支援お願いします
10
期待される成果
ニュートリノの!"#$%&' $())*)+",-#.$
• 桁違いに小さい（がゼロでない） ()*
+,-
&"#
ニュートリノ質量
他の粒子と異なる質量生成機構？
$"#
シーソー機構 → 大統一スケール
• クォークと全く異なる混合パターン
colored
'
&
%
$
%"#
./-
"
#
em
012/3"!
!"#
only upper bounds
"#
高エネルギーでの未知の対称性？'"#
(!"')*+,$
4"5*/26
oscillations → not massless, non-degenerate
CKM行列（クォーク）
MNS行列（ニュートリノ）
! ~ 1 0.23 0.004 $
#
&
# 0.23 ~ 1 0.04 &
# 0.009 0.04
&
~1 %
"
! 0.8 0.5 0.15 $
#
&
# 0.4 0.5 0.7 &
# 0.4 0.5 0.7 &
"
%
• 物質優勢宇宙に果たした役割
str
A. Rubbia
!"#$%&''($)*+*,-.-$/01$!232
II International
Neutrino
45-66-$77
8*09:;7<;6-$#;=->
Summer School
Tuesday, August 31, 2010
新たなCP対称性の破れ，レプトジェネシス？
12
w
ニュートリノと核子崩壊
大統一スケールでの物理へのプローブ
Hyper-Kで
両方同時に研究
H.Murayama
13
HKでのニュートリノ振動研究
SK/T2Kの成果 → 残されたの解明へ
• 質量の順番（階層）
• θ は最大混合か
• CP非対称性の探索
23
大気ニュートリノ+加速器ニュートリノの 組み合わせでこの全てを研究
ニュートリノ混合の全容解明
14
混合とCP対称性の破れ
「ユニタリー三角形」
クォーク
レプトン
過去50年の研究(K,B)
でoverconstrained
→ higher order (ループ)
での新物理探索
（ユニタリー性を仮定）
測定の数＜パラメータ
最低次のチェックもこれから
→ 未開拓の領域!
混合行列の様子もまったく違う → 大統一のモデルに制限 15
加速器νによるCP非対称性の測定
CP violationの効果
P(νµ→νe)
0.08
0.06
0.04
sin22θ13=0.1
295km
ニュートリノ
δ =δ=0
0
δδ=90°
= 1/2π
δ= π
δ=180°
δδ=-90°
= -1/2π
0.1
0.08
P(νµ→νe)
0.1
neutrino
0
0
2
反ニュートリノ
sin22θ13=0.1
0.04
0.02
1
Eν (GeV)
295km
0.06
0.02
0
anti-neutrino
0
δ =δ=0
0
δδ=90°
= 1/2π
δδ=180°
=π
δδ=-90°
= -1/2π
1
Eν (GeV)
2
μ型→e型振動の確率を比較
モデルによらず，CP非対称性の直接測定
牧-中川-坂田行列からは最大~±25%の変化
16
arXiv:1412.4673
.4673v1 [physics.ins-det] 15 Dec 2014
A Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment
Using J-PARC Neutrino Beam and Hyper-Kamiokande
K. Abe,54, 56 H. Aihara,57, 56 C. Andreopoulos,29 I. Anghel,23 A. Ariga,1 T. Ariga,1 R. Asfandiyarov,15 M. Askins,4
J.J. Back,62 P. Ballett,11 M. Barbi,40 G.J. Barker,62 G. Barr,38 F. Bay,14 P. Beltrame,13 V. Berardi,18 M. Bergevin,4
S. Berkman,3 T. Berry,44 S. Bhadra,67 F.d.M. Blaszczyk,31 A. Blondel,15 S. Bolognesi,7 S.B. Boyd,62 A. Bravar,15
C. Bronner,56 F.S. Cafagna,18 G. Carminati,5 S.L. Cartwright,46 M.G. Catanesi,18 K. Choi,34 J.H. Choi,9
G. Collazuol,20 G. Cowan,13 L. Cremonesi,43 G. Davies,23 G. De Rosa,19 C. Densham,50 J. Detwiler,63
D. Dewhurst,38 F. Di Lodovico,43 S. Di Luise,14 O. Drapier,12 S. Emery,7 A. Ereditato,1 P. Fernández,32
T. Feusels,3 A. Finch,28 M. Fitton,50 M. Friend,24, ⇤ Y. Fujii,24, ⇤ Y. Fukuda,33 D. Fukuda,36 V. Galymov,7
K. Ganezer,6 M. Gonin,12 P. Gumplinger,59 D.R. Hadley,62 L. Haegel,15 A. Haesler,15 Y. Haga,54 B. Hartfiel,6
M. Hartz,56, 59 Y. Hayato,54, 56 M. Hierholzer,1 J. Hill,6 A. Himmel,10 S. Hirota,26 S. Horiuchi,65 K. Huang,26
A.K. Ichikawa,26 T. Iijima,34 M. Ikeda,54 J. Imber,49 K. Inoue,52, 56 J. Insler,31 R.A. Intonti,18 T. Irvine,55
T. Ishida,24, ⇤ H. Ishino,36 M. Ishitsuka,58 Y. Itow,34 A. Izmaylov,22 B. Jamieson,64 H.I. Jang,48 M. Jiang,26
K.K. Joo,8 C.K. Jung,49, 56 A. Kaboth,17 T. Kajita,55, 56 J. Kameda,54, 56 Y. Karadhzov,15 T. Katori,43
E. Kearns,2, 56 M. Khabibullin,22 A. Khotjantsev,22 J.Y. Kim,8 S.B. Kim,47 Y. Kishimoto,54, 56 T. Kobayashi,24, ⇤
M. Koga,52, 56 A. Konaka,59 L.L. Kormos,28 A. Korzenev,15 Y. Koshio,36, 56 W.R. Kropp,5 Y. Kudenko,22, †
T. Kutter,31 M. Kuze,58 L. Labarga,32 J. Lagoda,35 M. Laveder,20 M. Lawe,46 J.G. Learned,16 I.T. Lim,8
T. Lindner,59 A. Longhin,27 L. Ludovici,21 W. Ma,17 L. Magaletti,18 K. Mahn,59, ‡ M. Malek,17 C. Mariani,65
L. Marti,56 J.F. Martin,60 C. Martin,15 P.P.J. Martins,43 E. Mazzucato,7 N. McCauley,29 K.S. McFarland,42
C. McGrew,49 M. Mezzetto,20 H. Minakata,45 A. Minamino,26 S. Mine,5 O. Mineev,22 M. Miura,54, 56
J. Monroe,44 T. Mori,36 S. Moriyama,54, 56 T. Mueller,12 F. Muheim,13 M. Nakahata,54, 56 K. Nakamura,56, 24, ⇤
T. Nakaya,26, 56 S. Nakayama,54, 56 M. Needham,13 T. Nicholls,50 M. Nirkko,1 Y. Nishimura,55 E. Noah,15
J. Nowak,28 H. Nunokawa,41 H.M. O’Kee↵e,28 Y. Okajima,58 K. Okumura,55, 56 S.M. Oser,3 E. O’Sullivan,10
R.A. Owen,43 Y. Oyama,24, ⇤ J. Pérez,32 M.Y. Pac,9 V. Palladino,19 J.L. Palomino,49 V. Paolone,39 D. Payne,29
O. Perevozchikov,31 J.D. Perkin,46 C. Pistillo,1 S. Playfer,13 M. Posiadala-Zezula,61 J.-M. Poutissou,59 B. Quilain,12
M. Quinto,18 E. Radicioni,18 P.N. Rato↵,28 M. Ravonel,15 M. Rayner,15 A. Redij,1 F. Retiere,59 C. Riccio,19
E. Richard,55 E. Rondio,35 H.J. Rose,29 M. Ross-Lonergan,11 C. Rott,51 S.D. Rountree,65 A. Rubbia,14 R. Sacco,43
M. Sakuda,36 M.C. Sanchez,23 E. Scantamburlo,15 K. Scholberg,10, 56 M. Scott,59 Y. Seiya,37 T. Sekiguchi,24, ⇤
H. Sekiya,54, 56 A. Shaikhiev,22 I. Shimizu,52 M. Shiozawa,54, 56 S. Short,43 G. Sinnis,30 M.B. Smy,5, 56 J. Sobczyk,66
H.W. Sobel,5, 56 T. Stewart,50 J.L. Stone,2, 56 Y. Suda,57 Y. Suzuki,56 A.T. Suzuki,25 R. Svoboda,4 R. Tacik,40
A. Takeda,54 A. Taketa,53 Y. Takeuchi,25, 56 H.A. Tanaka,3, § H.K.M. Tanaka,53 H. Tanaka,54, 56 R. Terri,43
L.F. Thompson,46 M. Thorpe,50 S. Tobayama,3 N. Tolich,63 T. Tomura,54, 56 C. Touramanis,29 T. Tsukamoto,24, ⇤
M. Tzanov,31 Y. Uchida,17 M.R. Vagins,56, 5 G. Vasseur,7 R.B. Vogelaar,65 C.W. Walter,10, 56 D. Wark,38, 50
M.O. Wascko,17 A. Weber,38, 50 R. Wendell,54, 56 R.J. Wilkes,63 M.J. Wilking,59 J.R. Wilson,43 T. Xin,23
K. Yamamoto,37 C. Yanagisawa,49, ¶ T. Yano,25 S. Yen,59 N. Yershov,22 M. Yokoyama,57, 56 and M. Zito7
(The Hyper-Kamiokande Working Group)
17
ニュートリノビーム
• J-PARCからのビームを使用
•
SKとHK予定地（栃洞）で HK SK
同じoff-axis角に設計
• 性質はよく理解， T2Kで今後も系統誤差減少
• ~1MWのビームで5-10年
• ビーム強度の向上と 安定な運転が不可欠
Flux [/(50 MeV⋅ cm2⋅ 1e21 POT)]
•
ビーム積分値 7.5MW×107s
Hyper-K Flux for Neutrino Mode
νµ
νµ
νe
νe
106
105
104
103
102
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
Eν [GeV]
18
Hyper-K Flux for Antieutrino Mode
Flux [/(50 MeV⋅ cm2⋅ 1e21 POT)]
Flux [/(50 MeV⋅ cm2⋅ 1e21 POT)]
Hyper-K Flux for Neutrino Mode
νµ
νµ
νe
νe
106
105
104
103
102
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
Eν [GeV]
νµ
νµ
νe
νe
106
105
104
103
102
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
Eν [GeV]
19
HKでの電子ニュートリノ事象
再構成したエネルギー分布
ニュートリノビーム
信号
ν
ν
(νμ→νe)
“Wrong sign”
appearance
3,016
2,110
28
396
T2Kでは現在28事象
反ニュートリノビーム
元からビームに νμ/νμ
荷電カレント混入した νe/νe
11
9
523
618
中性カレント
反応(主にπ0)
172
265
sin22θ13=0.1,δ=0, normal MH
20
δCP dependence of observables
7.5MW×107s (1.56×1022 POT)
Antineutrino mode: Appearance
δ=0
δ=90°
δ=180°
δ=-90°
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Difference of events/50 MeV
Reconstructed Energy
Difference from δ=0
Number of events/50 MeV
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
Erec
ν
δ=90°
δ=180°
δ=-90°
50
0
-50
Stat. error
-100
-150
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Reconstructed Energy
1
Erec
ν
δ=0
δ=0
δ = 90
δ=90°
δ = -90
δ=180°
δ = 180
δ=-90°
350
300
250
200
150
100
50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Erec
ν
(GeV)
150
100
400
0
0
1.2
1.2
(GeV)
Difference of events/50 MeV
Number of events/50 MeV
νe candidates
Neutrino mode: Appearance
1.2
(GeV)
150
(δ=90) – (δ=0)
(δ=-90) – (δ=0)
(δ=180) – (δ=0)
100
50
0
-50
-100
-150
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Reconstructed Energy
1
Erec
ν
1.2
(GeV)
Sensitive to all values of δ with numbers + shape
21
系統誤差
•
•
•
•
T2Kで実際に使っている誤差を元に外挿
•
現実的かつ信頼性の高い見積もりが可能
ニュートリノフラックス+前置検出器による測定
•
(conservativeに)同じと仮定
前置検出器で測定されない断面積の不定性
標的原子核の違いによる不定性を削減（水標的での測定を仮定）
後置検出器
コントロールサンプル（大気ν）の統計増による誤差削減を仮定
•
•
Hyper-Kでの予想事象数に対する不定性 (%)
Flux&ND
XSEC model
Far Det. +FSI
Total
ν mode
νe
νμ
3.0
2.8
1.2
1.5
0.7
1.0
3.3
3.3
anti-ν mode
νe
νμ
5.6
4.2
2.0
1.4
1.7
1.1
6.2
4.5
(T2K 2014)
νe
νμ
3.1
2.7
4.7
5.0
3.7
5.0
6.8
7.7
• 新しい前置検出器によりさらなる削減を期待 (study中)
22
Parameter number
40
0.08
35
0.06
30
0.04
25
0.02
20
0
15
-0.02
10
-0.04
5
-0.06
0
0
5
1Re
10
15
1Rμ
Neutrino mode
20
25
1Re
30
35
40
Parameter number
-0.08
1Rμ
Anti-neutrino mode
• Correlation も入れて実装
23
CP非対称性の測定
ニュートリノ
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
反ニュートリノ
0.56Mt, 0.75MW, 2.5/0.0 yrs NH
750kW
2.5×107s
nu only
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.2
-0.4
-0.4
-0.6
-0.6
-0.8
-1
0
NOT official
0.02
0.04
0.06
0.08
-0.8
0.1
0.12
0.14
0.56Mt, 0.75MW, 0.0/7.5 yrs NH
1
0.16
0.18
0.2
-1
0
750kW
7.5×107s
nubar only
NOT official
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
個別にallowed regionを書くとこんな感じ
24
1
0.8
0.6
ニュートリノ+反ニュートリノ合わせると
0.56Mt, 0.75MW, 2.5/7.5 yrs NH
750kW
2.5×107s nu + 7.5×107s nubar
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
-0.6
-0.8
-1
0
NOT official
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
25
でも，こうかも…
ニュートリノ
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
反ニュートリノ
0.56Mt, 0.75MW, 2.5/0.0 yrs NH
750kW
2.5×107s
nu only
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-0.2
-0.2
-0.4
-0.4
-0.6
-0.6
-0.8
-1
0
NOT official
0.02
0.04
0.06
0.08
-0.8
0.1
0.12
0.14
0.56Mt, 0.75MW, 0.0/7.5 yrs NH
1
0.16
0.18
0.2
-1
0
750kW
7.5×107s
nubar only
NOT official
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
0.18
0.2
何か言ってみるなら，今がチャンス？
エキゾチックなモデルなにかあるでしょうか？
26
δCP
もしくは…
150
Normal mass hierarchy
100
Hyper-K
原子炉実験で
50
Reactor
決めたθ13
0
HKからの制限
-50
-100
-150
NOT official
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
2
0.18
sin 2θ13
もしこうなったら，何が起こってるんでしょう？
27
残念ながらスタンダードな場合。
Mass hierarchy assumed to be known
arXiv:1412.4673
150
δCP
δCP
90% CL contour on sin22θ13-δ plane
(δ=0°, 90°, 180°, -90° overlaid)
Normal mass hierarchy
150
100
100
50
50
0
0
Hyper-K
only
Hyper-K
Hyper-K + reactor
HK+reactor
-50
-100
-150
0.04
0.06
0.08
0.1
0.12
0.14
0.16
2
0.18
Inverted mass hierarchy
Hyper-K
only
Hyper-K
Hyper-K + reactor
HK+reactor
-50
-100
-150
0.04
0.06
0.08
0.1
sin 2θ13
• Excellent δ
0.12
0.14
0.16
2
0.18
sin 2θ13
7.5MW×107s (1.56×1022 POT)
CP
measurement capability
レプトンCP非保存の探求
28
1σ error of δ (degree)
Expected uncertainty of δ (1σ)
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Mass hierarchy assumed to be known
0
2
sin22θ13=0.1
δ= 0
Normal Hierarchy
δ = 90
4
6
8
10
7
Integrated beam power (MW 10 sec)
• 8°-19° depending on the true value of δ
29
Sensitivity to CP violation
Mass hierarchy assumed to be known
σ=√χ2
10
CP violation in the lepton sector!
7
22
8 7.5MW×10 s (1.56×10 POT)
6
5σ
4
3σ
2
0
Fraction of δ (%)
• Exclusion of sinδ=0
• >3σ for 76% of δ
• >5σ for 58% of δ
• Possible to establish Normal mass hierarchy
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
-150
-100
-50
0
50
100
150
δCP
5σ
3σ
0
2
4
6
8
10
Integrated beam power (MW 107 sec)
30
2.2
0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56
2 0.58 0.6 0.62
32
223
sin 23
7.5MW×107s (1.56×1022 POT) -3
×10
-3
×
10
2.6
True sin2θ23=0.5
∆ m232
∆ m232
Measurement of Δm , θ
2.6
True sin2θ23=0.45
Hyper-K + reactor
Hyper-K only
2.5
2.5
2
38. The 90% CL allowed regions
in the sin ✓23 – m232 plane. The true values are sin2 ✓23 = 0.
HK+reactor
2.45
2.55
Hyper-K
Hyper-K + reactor
2.55
2.45
= 2.4 ⇥
2.410
3
eV2 . E↵ect of systematic uncertainties2.4is included. The red (blue) line correspon
2.35
2.35
2.3
2.3
2.25
2.25
sult with Hyper-K alone (with reactor constraints on sin2 2✓13 ).
2.2
0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6 0.62
LE XXII. Expected 1 uncertainty of sin
m2232θand
23
raint on sin2 2✓13 = 0.1 ± 0.005 is imposed.
2.2
0.35
2
sin ✓23
0.4
0.45
for true sin
2
0.5
0.55
0.6
0.65
✓23 = 0.45, 0.50, 0.55.
sin2θ23R
Expected 1σ uncertainty
True sin2 ✓23
Parameter
0.45
m232
Normal hierarchy 1.4 ⇥ 10
Inverted hierarchy 1.5 ⇥ 10
5
5
0.50
sin2 ✓23
m223
eV2 0.006 1.4 ⇥ 10
eV2 0.006 1.4 ⇥ 10
5
5
0.55
sin2 ✓23
m232
eV2 0.015 1.5 ⇥ 10
eV2 0.015 1.5 ⇥ 10
sin2 ✓23
5
eV2 0.009
5
eV2 0.009
cf. T2K 2014 result: Δm232=2.51±0.10×10-3eV2, sin2θ23=0.514±0.055
31
大気ニュートリノ
• 広いエネルギー領域 （0.1GeV~104GeV)
• 様々な基線長 (10km~13,000km)
• すべてのフレーバー (νe, νμ, ντ)観測可能
•
大統計 (~106)
加速器実験と相補的な測定が可能
例: 地球内部での物質効果
→ 質量階層性, θ23への感度
32
大気ニュートリノ
Hyper-Kで10年の観測を仮定
θ23が <45° か >45° か
質量階層性決定の有意度
δcp Uncertainty
30
25
Normal hierarchy
sin22θ13=0.1
20
15
10
3σ
5
2σ
30
Δ χ 2 Wrong Octant Rejection
Δ χ2 Wrong Hierarchy Rejection
δcp Uncertainty
25
20
15
T2K 90% CL
10
3σ
5
2σ
T2K 90% CL
0
0.4
0.45
0.5
sin2θ23
0.55
0.6
0
0.4
0.45
0.5
sin2θ 23
0.55
0.6
3σ以上で決定可能!
33
核子崩壊の探索
• 大統一理論
• 3つの力の統一
• SU(3)×SU(2)×U(1) → より大きなゲージ群
• クォークとレプトンの統一
• 電荷の量子化 (|Qe|=|Qp|)
• 核子崩壊→大統一の直接検証
34
陽子崩壊探索(1)
p→e+π0
‣ 発見可能性 (3σ)
‣τ(p→e+π0)~5×1034年 (HK 10yrs)
‣ 制限 (90%CL)
‣τ(p→e+π0)>1×1035年(HK 10yrs)
40
35
30
25
20
15
10
5
0
τproton=1.2×1034years
（SK
90% 34
CL
limit）
(a) 1.2x10
year
4
3
信
号
3
の
ピ
ー
2
ク
2
1
1
BG
600
800
1000
1200
2)
Invariant
mass
(MeV/c
K2K前置検出器のデータで信頼性確認
Invariant mass (MeV)
PRD 77, 032003(2008)
40 (c) 5.0x1035 year
4
35
3
35
>10 年の感度を持つ世界で唯一の次世代計画
35 3
30
BG：大気ニュートリノ
陽子崩壊探索(2)
‣ 発見可能性 (3σ)
‣τ(p→νK+)~1×1034年 (HK 10yrs)
‣ 制限 (90%CL)
+)>3×1034年 (HK 10yrs)
τ(p→νK
‣
Number of events
p→νK+
τproton=4×1033 years
5.6 Mton year exposure
33
（SK
limit）
year
Proton 90%
lifetimeCL
4.0x10
12
16
mo
no
fro chr
m om
K + at
de ic μ
cay +
10
8
6
4
τproton=4×1033 years
（SK 90% CL limit）
K+
(& lifet
mo ime
no
ch
ro
ma
tic
14
12
10
8
6
4
2
BG: 大気ニュートリノ
2
0
BG
200
210
μ+
220
230
240
250
260
270
280
momentum (MeV/c)
Pµ (MeV/c)
0
μ+
)
BG
0
10
20
K+
30
40
50
60
70
80
90
100
decay time (nsec)
発見の可能性！
+
K lifetime
36
10
36
Lifetime limit 90%CL (years)
Proton decay: comparison with SK, LBNE
Hyper-Kamiokande
560kton
10
35
LAr 34kton
p→νK+
Super-Kamiokande
22kton
10
34
p→e+π0
p→νK+
10
33
2010
2015
2020
2025
2030
2035
2040
Year
開始点はちょっとずらして見てください
37
陽子崩壊探索の展望
2.3 Baryon number violation
Soudan Frejus Kamiokande IMB
Super-K (2013)
minimal SU(5)
15
Hyper-K
minimal SUSY SU(5)
flipped SU(5)
predictions
SUSY SO(10)
non-SUSY SO(10) G224D
6D SO(10)
LBNE-34
Hyper-K
minimal SUSY SU(5)
non-minimal SUSY SU(5)
predictions
SUSY SO(10)
31
10
32
10
10
33
/B (years)
34
10
35
10
他のモードも1桁改善
Figure 2-4. The experimental reach of Hyper-Kamiokande and a 34-kton LBNE LArTPC are compared
to prior experiments and the rough lifetime predictions from a wide range of GUT models. The projected
limits are for 10 live years of running, at 90% C.L., calculated for a Poisson process including background
assuming the detected events equal the expected background.
38
陽子崩壊探索の展望
2.3 Baryon number violation
Soudan Frejus Kamiokande IMB
Super-K (2013)
minimal SU(5)
15
Hyper-K
minimal SUSY SU(5)
flipped SU(5)
predictions
SUSY SO(10)
non-SUSY SO(10) G224D
6D SO(10)
LBNE-34
Hyper-K
minimal SUSY SU(5)
non-minimal SUSY SU(5)
predictions
SUSY SO(10)
31
10
32
10
10
33
/B (years)
34
10
35
10
他のモードも1桁改善
Figure 2-4. The experimental reach of Hyper-Kamiokande and a 34-kton LBNE LArTPC are compared
to prior experiments and the rough lifetime predictions from a wide range of GUT models. The projected
limits are for 10 live years of running, at 90% C.L., calculated for a Poisson process including background
assuming the detected events equal the expected background.
信号発見の可能性大
38
ニュートリノ天文学
ユニークなプローブ：ニュートリノ
＋
高性能検出器：Hyper-K
多彩な研究対象
• 超新星ニュートリノ
• 太陽ニュートリノ
• 暗黒物質探索
• 他にもアイデア次第（募集中！）
2015年5月ごろに研究会を予定（＠神戸大）
39
超新星バーストニュートリノ
ν burst @ Milky way (10kpc)
- High statistical observation by 200,000 ν events
• 10kpcで起きた場合，200,000事象を期待
- Time variation of (ν luminosity, temperature, flavor)
collapse and cooling mechanism (model)
- Explore coreフラックス，種類の時間変化
• エネルギー，
- exp’d νe from neutronization is 20(NH) or 56(IH)
in 10msec duration→precise moment when a
• 超新星爆発モデルへの情報
neutron start is born.
• 中性子星誕生の瞬間の観測
- Precise time determination~1ms→combined study
w/
optical
and
gravitational
wave
observation
• 光学・重力波等との共同観測
- Absolute ν mass (ν’s TOF)→0.3~1.3eV/c
Energy
spectrum
transition
by
ν
mass
hierarchy
ニュートリノ質量，質量階層の研究も
•
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
26
24
22
Events/0.74Mt/10msec
Mean energy (MeV)
events/0.74Mt/20msec
2
Totani et al. (1998)
Thompson et al. (2003)
Buras et al. (2006) s112_128_f
Sumiyoshi et al.(2005) Shen EOS
Liebendorfer et al.(2005) AB
Liebendorfer et al.(2005) VERTEX
20
18
10
3
I.H.
No oscillation
10
Neutronization !+e
Time (sec)
12
-
No oscillation
Oscillation I.H.
10
14
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
!e+p
2
16
Totani et al. (1998)
Thompson et al. (2003)
Buras et al. (2006) s112_128_f
Sumiyoshi et al.(2005) Shen EOS
Liebendorfer et al.(2005) AB
Liebendorfer et al.(2005) VERTEX
–
N.H.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3
Time (sec)
0.02
Oscillation N.H.
0.04
0.06
0.08
0.1
29
Time (sec)
40
近傍銀河での超新星爆発
88 88
III PHYSICS
POTENTIAL
III PHYSICS
POTENTIAL
観測範囲に対する
Hyper-K での検出確率
超新星爆発の積算レート
1
1
0
0
0
0 2
2 4
Distance
D [Mpc]
Distance
D [Mpc]
Detection Probability
Detection Probability
NGC 2903
NGC 4594
MNGC
101 2903
NGCNGC
42584594
NGC 5194
NGC 6946
M 101
NGC 4258
NGC 5194
M 31
0.2
~"0.1
0.2
M 31
Maffei Group
IC 342, NGC 2403
M 81, M 82, NGC 4945
NGC 253
Maffei Group
M 83
IC 342, NGC 2403
M 81, M 82, NGC 4945
NGC 253
M 83 NGC 6946
-1
RSN(< D) [yr ]
-1
RSN(< D) [yr ]
0.4
1)
0.4
P(N! 3)
0.6
P(N! 3)
0.6
)
!1
P(N
0.8
1
No#osc.
0.9
N.#H.
0.8
I.#H.
0.7
E#>#10#MeV#
0.6>#0.5
Time#window#=#10sec.#
0.5
0.4
0.3
0.2
P(N P(N
0.1
! 2)
! 2)
0
1 02 13 24 35 46 57 68 97 10
8 9 10
!
P(N
0.8
1
0.9
0.8
0.7
Galaxy Galaxy 0.6
Catalog Catalog
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Continuum
Continuum
Limit Limit
0
0
4 6
810
10
68
Distance
(Mpc) (Mpc)
Distance
FIG. FIG.
59. (Left)
Cumulative
calculated
supernova
rate versus
distance
for supernovae
in nearby
galaxiesgalaxies
59. (Left)
Cumulative
calculated
supernova
rate versus
distance
for supernovae
in nearby
•
3事象を要求したとき2 Mpc まで観測可能(ε>50%)
(reproduced
from from
[100]).[100]).
(Right)
Detection
probability
of supernova
neutrinos
versus distance
at Hyper-K
(reproduced
(Right)
Detection
probability
of supernova
neutrinos
versus distance
at Hyper-K
• 10年に1回程度の頻度を期待
assuming
a 0.56a Megaton
fiducial
volume
and 10and
MeV
for thisfor
analysis.
Black, Black,
green, and
blue
assuming
0.56 Megaton
fiducial
volume
10 threshold
MeV threshold
this analysis.
green,
and blue
curves
show show
the detection
efficiency
resulting
in requiring
at leastatorleast
equal
one,to
two,
and
three
curves
the detection
efficiency
resulting
in requiring
orto
equal
one,
two,
andevents
three per
events per
• 重力波等，他の観測手法との共同観測で感度向上
burst,burst,
respectively.
Solid,Solid,
dotted,
and dashed
curvescurves
are forare
neutrino
oscillation
scenarios
of no oscillation,
respectively.
dotted,
and dashed
for neutrino
oscillation
scenarios
of no oscillation,
N.H.,N.H.,
and I.H.,
respectively.
and I.H.,
respectively.
41
超新星背景ニュートリノ
過去の超新星からのニュートリノの積算
超新星爆発の頻度，エネルギースペクトルの情報
宇宙の重元素合成の歴史に関する情報
10年間で~300事象の信号(>17.5MeV)を期待
42
暗黒物質探索
• 太陽，銀河，地球，…での対消滅からの
•
•
ニュートリノを探索
直接探索実験と相補的
2
低質量(GeV/c ) WIMPsにも高感度
43
まとめ
• Hyper-K: 幅広いサイエンスを可能にする多目的検出器
• ニュートリノ混合の全容解明
• 核子崩壊の探索・発見 (>3σ)
• ニュートリノ天文学の発展
• 地球内部の測定 (ニュートリノラジオグラフィ)
• 建設開始を目指して開発が鋭意進行中
• 空洞・水槽・構造体の基本設計
• 50cm径新型光センサーの開発
• 電子回路，ソフトウェア，…
• 国際研究グループによる推進
http://bit.ly/6th-hyperk
• 1月にproto-collaborationへ
• オープンミーティング: 1/29-31 Kavli IPMU
• CDRを1年以内に準備，国際レビュー → そして建設へ…
• KEK，宇宙線研との組織的協力を推進中
• 新規共同研究者の参加，物理の議論を大歓迎！
44
バックアップ
• 1983
カミオカンデ
1996年（Super-K の前身）
• 3000 tonの純水水チェレンコフ検出器
• 核子崩壊、大気・太陽ニュートリノ観測
• 1987年大マゼラン雲での超新星 爆発からのニュートリノを観測
「ニュートリノ天文学」の誕生
小柴先生がノーベル賞を受賞
Visible energy (MeV)
•
•
SN1987A
13秒間に 11事象
After
Befor
46
スーパーカミオカンデ
• 1996年現在
• 体積 50,000 tonの純水
チェレンコフ検出器
• カミオカンデの16倍
• 岐阜県神岡鉱山の地下1km
に設置
• 内水槽検出器 (32kton)
•
• 11,129本の50cm径 PMT
50cm径 PMT
外水槽検出器（18kton）
• 1885本の20cm径 PMT
(photo by HPK)
広いエネルギーにある様々な物理を
一つの検出器で同時に研究できる
Super-K Physics Targets
陽
太
ν
星
ν
器
速
新
加
超
~3.5 MeV ~20
~100
索
ν
質
壊
崩
子
陽
~1 GeV
暗
黒
物
探
大気 ν
TeV
47
スーパーカミオカンデ
• スーパーカミオカンデは改良を重ねながら 18年間以上走り続けている
1996
’97
’98
’99 2000
’01
SK-‐I
11146 ID PMTs (40% coverage)
’03
’04
SK-‐II
4.1年間
SK-‐I
’02
2.2年間
Acrylic (front) + FRP (back)
SK-‐II
5182 ID PMTs (19% coverage)
‘05
’06 ’07 ’08
’09
SK-‐III
1.4年間
SK-‐III
11129 ID PMTs (40% coverage)
’10
’11
’12
’13
’14
SK-‐IV
>5年間
SK-‐IV
Electronics Upgrade
48
検出器の準備状況
大空洞の建設
候補地:
SKの~8km南
~8km
岩石等級や地圧の実測値に基いた設計
既存の工法で建設可能なことを確認
50
光センサー支持構造体
光センサー支持構造体
20
51
新型光センサーの開発
52
T
新型光センサー開発
ITec
光センサー開発
光センサー開発
h
高量子効率光電面(50cm径)
光センサー開発
40
QE [%]
QE
High-QE R3600
35
ZP0007
ZP0012
1p.e.
1p.e.時間分布
時間分布
1.41.4
20-inch high-QE HPD (5mm dia. AD) w/ preamp.
25
ZP0015
1.4
ZP0021
20-inch high-QE box&line PMT
20-inch high-QE box&line PMT
20-inch high-QE box&line PMT
20-inch high-QE box&line PMT
20-inch normal-QE Super-K PMT
20-inch normal-QE Super-K PMT
20-inch normal-QE Super-K PMT
20-inch normal-QE Super-K PMT
0.80.8
0.60.6
0.60.6
0.40.4
0.40.4
0.20.2
0.20.2
ZP0022
ZP0024
ZP0025
20
0
0 0
-20-20-15-15-10-10 -5 -5 0 0 5 5 10 10 15 15 20 20 25 25 0
Time
(ns)
Time
(ns)
Normal SK PMT
15
20-inch high-QE HPD(5mm dia. AD) w/ preamp.
20-inch high-QE HPD(5mm dia. AD) w/ preamp.
20-inch high-QE HPD (5mm dia. AD) w/ preamp.
0.80.8
-1 -1
0 0
1 1
SK
SKPMT
PMT B&L
B&LPMT
PMT
Normal-QE R3600
2 2
3 3
Photoelectron
Photoelectron
HPD
HPD
10
1p.e.
1p.e.Δt
Δt(ns)
(ns)
2.1
2.1
1.1
1.1
1.4
1.4
5
1p.e.
1p.e.ΔQ/Q
ΔQ/Q(%)
(%)
Peak/Valley
Peak/Valleyratio
ratio
5353
2.2
2.2
3535
4.3
4.3
1616
3.9
3.9
0
300
350
400
450
500
550
600 650 700
Wave Length [nm]
m
Super-K
Super-KPMT
PMT
50cm
50cmHQE
HQEB&L
B&L
50cm
HQE
HPD
50cm HQE HPD
Super-K
Super-KPMT
PMT 1.21.2
50cm
HQE
50cm HQEB&L
B&L
50cm
50cmHQE
HQEHPD
HPD 1 1
1 1
ZP0014
30
1p.e.
1p.e.電荷分布
電荷分布
• •時間・電荷の高精度化を達成
•高感度化（量子効率、高収集効率）
時間・電荷の高精度化を達成
時間・電荷分解能の高性能化を達成
•高精度化（時間、電荷）
• •更なる試験を予定（水中での性能試験、長期安定
更なる試験を予定（水中での性能試験、長期安
•低価格→projectの低コスト化
• •遅くとも2016年までに開発完了、センサー候補の
遅くとも2016年までに開発完了、センサー候補
•
• 水中での長期試験を含むさらなる試験
• 2016年までに開発完了，センサー決定予定
22
53
前置ニュートリノ検出器
• T2K前置検出器のアップグレード
• 新たな水チェレンコフ検出器
• 標的，測定由来の不定性小
• π 生成， ν 混入率測定
• 振動解析以外の物理
• 断面積測定
• ステライル探索
0
e
概念設計中
“nuPRISM”
“TITUS”
54
そのほかの開発
TITe
ch
Design Reportに向けて国際共同グループで推進中
国内：新学術科研費(2013~)
国外：R&D予算獲得(UK,EU)/申請中(カナダ，…)
55
目標タイムライン
Construction
JFY
2012
2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026
Cavity excavation
Survey, Detailed design
Access tunnels
Operation
Tank construction
water filling
Photo-sensor development
Photo-sensor production
sensor installation
Prototype detector
J-PARC Power Upgrade
~240kW
-2018
-2025
-2028
-2030
-20xx
-20xx
T2K will accumulate
approved POT
750kW and beyond
建設（掘削）開始
実験開始
レプトンCP非保存の発見？
陽子崩壊の発見！？
超新星バーストニュートリノ観測
予想しないなにかの発見（サプライズ）
56
LBNE(F)との比較
米国の計画 (LBNE→LBNF)
• FermilabからSouth Dakotaへ（L=1300km）
• ビーム強度1.2MW(~2024) → 2.4MW (~2030)
• 液体アルゴンTPC検出器(10kt in ~2021→ 40kt)
Hyper-Kと同様の目標，時間スケール
異なる基線，検出器 → 相補的な測定
58
19 Sep 2014
Summary of a detailed, resource‐loaded P6 schedule
Goal to move earlier by 2 yr
40
Jim Strait | Facilities for LBNF
5 and 12 Dec 2014
59
LBNEとの比較
sinδ=0を排除できる有意度
σ=√χ2
10
Normal mass hierarchy
Hyper-K
8
LBNE (34kt LAr, 1.2MW 6yrs)
6
5σ
4
3σ
2
0
-150
-100
-50
LBNE sensitivity from Fig.4.11 of arXiv:1307.7335
0
50
100
150
δCP
60
Comparison to LBNE
Hyper-K
LBNE (LAr-TPC)
Eff. (%)
BG (/Mt y)
Eff. (%)
BG (/Mt y)
e+π0
40
1.6
45
1
νK+
19
4
97
1
estimate from SK
νK in a Liq
from arXiv:1307.7335v3
+
• For modes with Kaons, LAr-TPC can benefit from better
reconstruction and expected to
have comparable sensitivity in spite of smaller mass
Masashi Yokoyama (UTokyo)
Long baseline experiment using Hyper-K and J-PARC, 19th J-PARC PAC
simulated#
real#
61
Event selection efficiency
HK
LBNE
64%
70-95%(80%)
νe νμ NC mis-ID
0.3%
0.4-2.0%(1%)
νμ CC mis-ID
<0.1%
0.5-2.0%(1%)
νμ CC eff.
70%(QE)
80-95%(85%)
νμ NC mis-ID
2.4%
0.5-10%(1%)
νe CC eff.
νμ
HK: from T2K experience
LBNE: from arXiv:1307.7335v3, table4.2.
Range of numbers from ICARUS and MC study,
in parentheses: numbers assumed for LBNE sensitivity studies
62
Expected
rec
E
distributions for νe samples
4.2 Simulation of Neutrino Oscilla
Hyper-K
Appearance ν mode
350
150
Total
Signal ν µ
200
150
100
50
0.2
0.4
0.6
Erec
ν
(GeV)
50
50
0
0.2
0
2
4
6
Reconstructed Neutrino Energy (GeV)
0
8
νe spectrum (NH)
60
0.4
0.6
0.8
1
2
4
6 rec
Reconstructed Neutrino Energy (GeV)
34 kton LAr @ 1300 km
Signal, δCP = 0o
3 yrs ν mode
34 kton LAr @ 1300 km
80 GeV pSignal,
beam,δ1.2
MWo
3 yrs ν mode
CP = 90
2
sin (2θ13) Signal,
= 0.09 δCP = -90o
80 GeV p beam, 1.2 MW
2
sin (2θ13) = 0.09
NC
Signal, δCP = 0o
100
o
Events/0.25 GeV
Events/0.25 GeV
e
o
Signal, δνCP+
Beam e =ν0e o
Signal, δCP = 90
ν µ=+ -90
νµ o
Beam:δCP
Signal,
NC
νµ CC
ντ CC
Beam νe CC
100
Events/0.25 GeV
events/50MeV
Number of events/50 MeV
60
34 kton LAr
@ 1300 km
Total
3 yrs ν mode
νµ →
ν
Signal 1.2
80 GeV p beam,
MWe
2
sin (2θ13) =Signal
0.09 ν µ → ν
250
0
91
20
60
300
100
0
150
150
150
50
40
νe spectrum (IH)
Appearance
ν mode(NH)
νe spectrum
200
Signal, δCP = 0o
Signal, δCP = 90o
Signal, δCP = -90o
NC
νµ CC
ντ CC
Beam νe CC
4.2
of1.2
Neutrino Oscillation Experiments
0.8 Simulation
1
Reconstructed Energy
300
34
3y
80
sin
1.2
8
40
50
34
3
80
sin
(Signal,
νµ +νµ ) δ
CC = 90
CP
(Signal,
ντ+ντ) CC
δCP = -90o
Beam
(νe+νe) CC
NC
νµ CC
ντ CC
Beam νe CC
Events/0.25 GeV
0
34 kton LAr @ 1300 km
3 yrs ν mode
80 GeV p beam, 1.2 MW
sin2(2θ13) = 0.09
100
Events/0.25 GeV
250
events/250MeV
→ νe
Signal ν µ → ν e
Beam ν e + ν e
Beam: ν µ + ν µ
300
60
Events/0.25 GeV
350
0
νe spectrum (NH)
150
events/250MeV
events/50MeV
Number of events/50 MeV
LBNE
40
20
20
0
0
2
4
6
Reconstructed Neutrino Energy (GeV)
2
4
6
Reconstructed Neutrino Energy (GeV)
8
8
0
Reconstructed Energy Eν (GeV)
Long baseline experiment usingFigure
Hyper-K
andThe
J-PARC,
19threconstructed
J-PARC PAC neutrino energy 63
Masashi Yokoyama (UTokyo)
4.3:
expected
spectr
ν spectrum (IH)
Expected number of events for νe appearance
for normal hierarchy, δ=0
νe signal
Total BG
ν
wrong-sign app.
NC
Beam νe
νμ CC
ντ CC
νe signal
Total BG
νbar
wrong-sign app.
NC
Beam νe
νμ CC
ντ CC
HK LBNE*
(Erec<2GeV)
(0.5<Erec<8GeV)
3,016
734
779
374
2,110
1,288
139
238
28
172
523
11
0
396
265
618
9
0
10
71
160
85
48
51
37
82
37
31
*LBNE: from arXiv:1307.7335v3 Table 4.3, NB: S/N at peak better than these numbers
1.2MW×3years each, scaled from 10kton to 34kton fiducial (by just ×3.4)
64
For LBNE, “1year”=1.6×107sec
補足情報
Mid-term plan of MR
FX The high repetition rate scheme is adopted to achieve the design beam intensity, 750 kW."
Rep. rate will be increased from ~ 0.4 Hz to ~1 Hz by replacing magnet PS’s and RF cavities.
SX Parts of stainless steel ducts are replaced with titanium ducts to reduce residual radiation
dose. The beam power will be gradually increased toward 100 kW watching the residual activity.
JFY
FX power [kW] (study/trial)
!
SX power [kW] (study/trial)
2011
150!
!
3 (10)
Cycle time of main magnet PS!
New magnet PS for high rep.
Present RF system !
New high gradient rf system!
Ring collimators
200 !
!
10 (20)
2013
2014
2015
Li. energy
upgrade
Li. current
upgrade
200 - 240 !
!
25 (30)
200 –300
(400)!
20-50
Install. #7,8
Install. #9
R&D
Additional
shields
Inj. kicker
SX collimator / Local shields
SX collimator
Add.collimato
rs and shields
(2kW)
2016
2017
750!
!
100
Manufacture
installation/test
R&D
Injection system!
FX system
Ti ducts and SX devices with
Ti chamber
2012
Manufacture
installation/test
Add.collimat
ors (3.5kW)
Local shields
SX septum
endplate
Beam ducts
Beam ducts
ESS"
66
J-PARCの長期展望
• >MWビームの可能性を 加速器・実験グループ共同で議論中
• 次世代実験ワークショップなど
様々なアイデア
The 8-GeV booster ring
Proton Driver in the KEKB Tunnel
We start discussion as one of the post-Super KEKB project.
RF CAVs
H&V
Injection energy "3 GeV "
Extraction energy 8 GeV"
Circumference 696.666 m"
Superperiodicity "4"
Transition gamma ~15 GeV"
Collimator Aperture 126π.mm.mrad
Physical Aperture 189 π.mm.mrad
KEKB tunnel:"
•  fourfold symmetric configuration."
•  Circumference: ~ 3 km"
•  Straight section beam acceleration 200 m x 4 = 800 m"
•  Arc section beam transportation to
the next straight section. 550 m x 4 = 2200 m"
D1
2
LC 12S
8
M
8
12
C
Ts
uk
u
上段壁側＜？＞
上段手前側＜真空戻り＞
中段壁側＜？＞
中段手前側＜真空出＞
下段壁側＜マグネット出＞
下段手前側＜マグネット戻り＞
Ni
D1
kk
o
D1
1
ba
KL4
＜真空戻＞
＜真空出＞
＜マグネット戻＞
＜マグネット出＞
＜ＲＦ戻＞
＜ＲＦ出＞
KL3
KR1
＜真空戻＞
＜真空出＞
＜マグネット戻＞
＜マグネット出＞
＜ＲＦ戻＞
＜ＲＦ出＞
KR2
KR3
D1
0
D2
N
Crab
0
0
上段壁側＜？＞
上段手前側＜真空戻り＞
中段壁側＜？＞
中段手前側＜真空出＞
下段壁側＜マグネット出＞
下段手前側＜マグネット戻り＞
50m
50m
9C
3L
C1
3S
M
9S
9L M6
C6
D3
3S
M
C5
9S
M
QDR007
KM03 2.36 mrad
Collimator
KM02 2.36 mrad
ZSH006
QFR006
QDT005
QFP004
KM01 2.36 mrad
0.3
MS10
MS20
BP02
0.4
MS00
0.6
~0.04% 0.5
BP01
@ 3GeV
ε>125.5π
0.2
@ 8GeV
ε>54π
0.1
~0.06%
8 GeV injection in
the MR using new
septa&kickers
0
-0.1
-0.2
20
25
30
35
s(m)
40
45
Subjects "
•  Feasibility of 9 GeV proton linac in
straight sections of 800 m. High acceleration field is required. SC accelerator is essential."
•  Beam transport at Arc sections.
QD3P.34
SD5OLP.2
SD5OL.1
QD3P.33
5
Injection Beam 81 pi Baseline design
x(m)
2
3L
C2
9L
0.7
1
D9
EXT
Phase plot @ inj.(3GeV) & extr.(8GeV)
(y,y’)
(x,x’)
12
12 12L
SM C7
7
上段壁側＜？＞
上段手前側＜真空戻り＞
中段壁側＜？＞
中段手前側＜真空出＞
下段壁側＜マグネット出＞
下段手前側＜マグネット戻り＞
s (m)
RF CAVs
INJ+COLL
8-GeV BR
ηx,y (m)
βx,y (m)
Beta & Dispersion for 1-superperiod"
3C
下段手前側＜マグネット戻り＞
下段壁側＜マグネット出＞
中段手前側＜真空出＞
中段壁側＜？＞
上段手前側＜真空戻り＞
上段壁側＜？＞
D4
0
D8
O
50m
＜ＲＦ出＞
＜ＲＦ戻＞
＜マグネット出＞
＜マグネット戻＞
＜真空出＞
＜真空戻＞
Fu
0
＜ＲＦ出＞
＜マグネット出＞
＜ＲＦ戻＞
＜マグネット戻＞
＜真空出＞
＜真空戻＞
ji
D5
50m
D7
ho
6
6L SM
C3 3
下段手前側＜マグネット戻り＞
下段壁側＜マグネット出＞
中段手前側＜真空出＞
中段壁側＜？＞
上段手前側＜真空戻り＞
上段壁側＜？＞
6C
6L
C4
6S
M
D6
4
50
T.Koseki, NBI14
67
Cost Estimate
Total
Total
Cavern
TankCavern
& structure
Tank
& structure
Photo-sensors
Near Detector
Photo-sensors
Cost Estimate
800M USD*
800M
USD*
300M USD
300M USD
USD
200M
200M USD
USD
200M
30M USD
200M
USD
High QE HPD
@Tokai
High
QE HPD
*The cost of rock disposal and water purification system to be added in the future
Near Detector
30M USD
@Tokai
*The cost30M
of rockUSD/year
disposal and water
purification
be added in the future
Operation:
(J-PARC
MRsystem
40M toUSD/year)
• Contribution from each country is under discussion in the
Hyper-K WG
from each country is under discussion in the
• •Contribution
Proportional sharing in an international project is ideal.
Hyper-K WG
The target forsharing
international
contribution is
30% tois50%
of the
in an international
project
ideal.
• •Proportional
cost.
• The target for international contribution is 30% to 50% of the
cost.
19
51
68
土被りと宇宙線バックグラウンド
•土被り（鉛直方向）
•~1,000m (SK＠茂住) → ~650m (HK@栃洞)
•宇宙線ミューオンフラックス •1.54×10-7cm-2s-1 (SK) → 7.55×10-7cm-2s-1 (HK, SK×5)
•spallation product rate: HK/SK~4
•J-PARCν研究に関しては影響なし（加速器タイミングによる選択）
•大気ν研究・核子崩壊に対しての影響は無視できる
•大気νサンプル（FC）へのμ、高速中性子、Klongの混入<1%
•近傍銀河の超新星爆発ニュートリノ
•1BG/日（~650m overburden, event multiplicity>=2(10sec)、E>15MeV）
•HKではmultiplicity3以上を要求する必要がある。
•超新星背景ニュートリノ、太陽ニュートリノ
•E>15MeV（超新星背景ν）、E>7MeV（太陽ν）を観測対象
•より低エネルギー領域の観測のためにはstudyが必要
13
69
!"#$%&' $())*)+",-#.$
()*
+,-
&"#
%
$
%"#
$"#
質量と混合
./-
colored
'
&
"
#
012/3"-
strong+em
+weak
• 桁違いに小さい em+weak
（がゼロでない） !
ニュートリノ質量
!"#
(!"')*+,$
'"#
4"5*/26
oscillations → not massless, non-degenerate
A. Rubbia
"#$%&''($)*+*,-.-$/01$!232
Tuesday, August 31, 2010
• 全く異なる混合パターン
only upper bounds
"#
II International
Neutrino
45-66-$77
8*09:;7<;6-$#;=->
Summer School
CKM行列
! 0.97427 0.22536 0.00355
# 0.22522 0.97343 0.0414
#
" 0.00886 0.0405 0.99914
weak
?
11
11
MNS行列
$ " 0.80 − 0.85 0.51− 0.58 0.14 − 0.16 %
& $ 0.23 − 0.52 0.44 − 0.70 0.61− 0.79 '
'
& $
% # 0.25 − 0.53 0.46 − 0.71 0.59 − 0.78 &
?
70
Neutrino masses: Seesaw mechanism
超高エネルギースケールへの窓
L = LSM
1 ¯c
† c
/
+ i ν̄R ∂ νR − L̄L yνR H̃ − ν̄R y LH̃ − (ν R MM νR + ν̄R MM νR )
2
†
†
Minkowski 1979, Gell-Mann/Ramond/Slansky 1979, Mohapatra/Senjanovic 1979, Yanagida 1980
1
⇒ (νL νRc )
2
2
D
!
0
T
mD
mD
MM
"!
νLc
νR
"
m
mνmasses
! − MM≪introduce
mu,d,e newMmass
mD
Majorana
R ≫ scale(s)
MM
two sets of Majorana mass states with small mixing θ ≪ 1
シーソー機構
−1
here θ = mD MM = vyMM−1
c
2
three
light
neutrinos
ν
≃
U
(ν
+
θν
mD ! mt ν とすると
L
m ! Δm
R)
ν
atm
M R ! 10 GeV
14
mostly "active" SU(2) doublet
T
2
−1 T
masses mGUTスケールへの手がかり
ν ≃ θMM θ = v yMM y
three heavy neutrinos N ≃ νR + θT νLc
mostly "sterile" singlets
GUTからクォーク・レプトンの質量・混合の階層性を
heavy masses MN ≃ MM
A view on the, T HEORETICAL S TATUS
N EUTRINO P HYSICS
10 / 23
自然に説明するモデルも（E6 GUT, 前川：京大研究会）
OF
71
ニュートリノ物理：実験によるアプローチ
}
•ニュートリノ振動の究明
• 質量差，混合角の精密決定
•CP非対称性の探索・測定
• ステライルニュートリノ？
• Dirac or Majorana
• ニュートリノレス二重β崩壊探索
• 質量の測定
• β崩壊による測定
• 宇宙観測
HKの物理
72
⌫e + C ! e + X
𝜈e CC-inclusive cross section
• Use Bayesian unfolding
• Quite a bit of smearing in
momentum due to Bremsstrahlung
• Differential measurements of p
e
and
θe
• Full phase space and restricted
phase space
• reduces model dependence
Imperial College
London
FNAL Wine & Cheese
Morgan O.
Wascko
⌫e + C ! e + X
𝜈e CC-inclusive cross section
• Also initial/internal
variables
• Calculated with Bayesian
matrix method
• Largest uncertainties are
• Flux (12.9%)
• Statistics (8.7%)
• Detector (8.4%)
• First measurement of 𝜈
e
near 1 GeV in 30 years
➡Possible because of
excellent detector with
magnetic field
Imperial College
London
FNAL Wine & Cheese
Morgan O.
Wascko

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