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スーパーカミオカンデ実験は、世界最大のニュー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。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。索を行っていく予定である。
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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)
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スーパーカミオカンデの歴史
2008200720062005200420032002200120001999199819971996 Start
大気ν振動の発見
太陽ν振動の発見
SK-I
Accident(事故)Partial Reconstruction(部分再建)
SK-II
Full reconstruction (完全再建)
SK-III
大気ν L/E効果の発見
光電子増倍管数(光電面被覆率)
11,146(40%)
5,182(19%)
11,129(40%)
エネルギーしきい値(太陽ニュートリノ解析)
5 MeV
7 MeV
4 MeV(plan)
K2K最終結果
主たる成果
低エネルギーニュートリノ観測を再開
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ATLAS-TDCATLAS-TDC
PMT signalQTC
multihit-TDCDiscri.(CFD)
amp
3gain x 3ch
hit timing
charge
FPGA
FIFO
Trigger
電子機器も入れ替える予定(新規開発)
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。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。ハードウエアのエネルギー閾値をゼロに下げる。
20042004 カスタムASICの開発開始カスタムASICの開発開始20052005 基板全体の設計基板全体の設計20062006 ボードの試作、試験ボードの試作、試験20072007 システム全体の開発、試験システム全体の開発、試験20082008 大量生産、大量生産、
スーパーカミオカンデ入れ替えスーパーカミオカンデ入れ替え
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スーパーカミオカンデ実験スーパーカミオカンデ実験
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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
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現在の標準理論における「素」粒子
= 陽子Proton
= 中性子Neutron
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地球
ニュートリノ
ニュートリノは物質となかなか反応しない
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。
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)
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ニュートリノを「見る」
The neutrino is observed by “seeing” theproduct of its interaction with matter.
νe Electron (e)
νµ Muon (µ)
The products are charged particles.
Electron neutrino
Muon neutrino
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Water Cherenkov Detector
Light emission from a charged particle –Cherenkov radiation
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粒子識別とチェレンコフリング数
νe + N e + N’ + (X)
Super-KamiokandeRun 1871 Sub 2 Ev 646796-06-11:02:06:46
Inner: 3021 hits, 7254 pE
Outer: 1 hits, 0 pE (in-time)
Trigger ID: 0x03
D wall: 915.5 cm
Fully-Contained Mode
Charge(pe) >15.013.1-15.011.4-13.1 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
00 500 1000 1500 2000
0
186
372
558
744
930
Times (ns)
νµ + N µ + N’ + (X) νµ + N µ + N’ + π + (X)
categolized asmulti-ring event(Additional cut for oscillation analyses)
categolized as1-ring e-like event(νe CC enriched sample)
categolized as1-ring µ-like event(νµ CC enriched sample)
Charge(pe) >15.013.1-15.011.4-13.1 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
Super-KamiokandeRun 5704 Event 3551590
98-03-17:07:14:39
Inner: 3397 hits, 7527 pE
Outer: 0 hits, 0 pE (in-time)
Trigger ID: 0x07
D wall: 1089.6 cm
FC e-like, p = 923.2 MeV/c
00 500 1000 1500 2000
0
280
560
840
1120
1400
Times (ns)
Super-KamiokandeRun 3962 Sub 125 Ev 96598297-05-01:15:32:29
Inner: 2887 hits, 9607 pE
Outer: 1 hits, 0 pE (in-time)
Trigger ID: 0x03
D wall: 1690.0 cm
FC mu-like, p = 1323.6 MeV/c
Charge(pe) >26.723.3-26.720.2-23.317.3-20.214.7-17.312.2-14.710.0-12.2 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
00 500 1000 1500 2000
0
220
440
660
880
1100
Times (ns)
Electron-like ring muon-like ring(diffused ring) (sharp edge)
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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
SK
太陽ν
超新星ν
大気ν
人工ν
陽子崩壊
大強度加速器ν(JPARC)
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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
銀河形成
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
http://map.gsfc.nasa.gov/
この宇宙起源のニュートリノは現在1cmこの宇宙起源のニュートリノは現在1cm33に約300もある。に約300もある。
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ニュートリノ振動とは?ニュートリノ振動とは?
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ニュートリノ振動νeνµντ
( ) = ν1ν2ν3
( )弱い相互作用の固有状態
質量の固有状態
ユニタリー行列
2つのニュートリノの場合
να( ) = ( cosθνβ
sinθ- sinθ cosθ ) ν1ν2( )
P(να→νβ) = sin22θ sin2(1.27∆m2L/E)∆m2 = m2
2 - 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
Ue1Uµ1Uτ1
( Ue2Uµ2Uτ2
Ue3Uµ3Uτ3)
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ニュートリノ振動をもう1ページ
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛>>
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛>>
2
1
||
cossinsincos
||
νν
θθθθ
νν
µ
e
1|)0(|)0(||)0(|)(|
)0(|)(|2
112
11
11
11
1
=><=><
>>=−
−
νννν
ννtiEtiE
tiE
eet
et
質量(エネルギー)の固有状態は時間経過しても確率不変。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?でも複数の固有状態の混合状態はどうなる? 時間変化する!時間変化する!
Em
pmmmpmpEE
22|| 22
2212
222
12
21∆
=−
=+−+=−
異なるフェイズでまわる異なるフェイズでまわる
( ) ( )
( )[ ]tEE
ee
ee
ee
tP
eet
tEEitEEi
tiEtiE
tiEtiE
ee
tiEtiE
)cos(12sin21
2cossin
cossincossin
)0(|sin)0(|cos|)0(cos|)0(sin
|)0(|)(|)(
)0(|cos)0(|sin)(|
212
)()(22
2
2
2121
2
21
1221
21
21
21
−−=
−−=
+−=
>+>•<+<−=
><=→
>+>−>=
−−
−−
θ
θθ
θθθθ
νθνθνθνθ
νννν
νθνθν
µµ
µ
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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。
合成した状態
波の伝播 時間
質量状態 2
質量状態 1
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
空間、または時間空間、または時間
質量M1のニュートリノ
質量M2のニュートリノ
2つの重ね合せ=(例えば)電子ニュートリノ
うなりがうなりが起きる起きる
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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。
ニュートリノの伝播 時間、あるいは距離
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。
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大気・加速器ニュートリノ大気・加速器ニュートリノ
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地球の大気
宇宙線(陽子等)
大気ニュートリノProton, He
ππ
π
π
Super-Kamiokande
νµ 電子ニュートリνe
νµミューオンニュートリノ
eµ
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。
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Super-K
大気ニュートリノの上下非対称性の発見
νµ ν τ 振動の証拠
ミューニュートリノのまま検出
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
上向き 下向き
cos
10
50
100
150
200
250
300
350
-1 -0.5 0 0.5 1cosθ
Num
ber
of E
vent
s Multi-GeV µ-like + PC
νµのまま
ντに変身 振動なしの予想
θθ
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0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
1 10 102
103
104
L/E (km/GeV)
Da
ta/P
red
icti
on
(n
ull
os
cil
lati
on
)
L/E分布
ニュートリノの「振動」が見えた。
Best fit expectation w/ systematic errors
ニュートリノの生存確率
ニュートリノの生存確率
P(P( ν
µνµνµνµ
))
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• 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 タウニュートリノの振動確率が大きい
• 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 電子ニュートリノ振動の測定が必要。
T2K実験へ
νe νµ ντν3
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世界最大強度のνµビーム
Tokai
研究目的 ミューオンニュートリノ 電子ニュートリノの探索
ミューオンニュートリノ タウニュートリノの精密測定
Kamioka
J-PARC0.75MW 50GeV PS
スーパーカミオカンデ
5万トン
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
大気ニュートリノ観測と相補的に研究を進める。
![Page 26: (素粒子・宇宙研究)masato_s/class/060703-hongou...スーパーカミオカンデ実験 (素粒子・宇宙研究) 塩澤真人 masato@icrr.u-tokyo.ac.jp 現代物理学入門@本郷](https://reader031.fdocument.pub/reader031/viewer/2022022107/5be656fa09d3f2d8348d18ad/html5/thumbnails/26.jpg)
Upstream of Linac Tunnel
NeutrinoTunnel
50 GeV Tunnel
From 3 GeV toMaterials and Life
Middle of Linac Tunnel
From Linacto 3 GeV
3 GeVExtraction Point
TunnelTour
JPARC
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T2Kスケジュール
• Possible upgrade in future– 4MW J-PARC + Hyper-K ( 1Mt water Cherenkov)–粒子・反粒子の違い?–陽子崩壊
SK full rebuild
T2K construction
April 2009ν commissioning
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
Linac MR Full power
First results
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振動パラメータの実験精度( νµ ντ )
大気ニュー大気ニュー
T2KT2K
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陽子崩壊探索陽子崩壊探索
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素粒子の大統一理論
陽子が壊れることが予言されている。粒子の統一
Quark+lepton
相互作用の統一
力の強さのパラメータ
エネルギー(GeV)
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陽子崩壊の探索
大統一理論により予言される崩壊の頻度 Γ=10∼35年
1030 1031 1032 1033 1034 1035
陽子の寿命 (年)
minimal SU(5)
minimal SUSY SU(5) SUSY SO(10)Super-K
uud d
p π0dX
+e
たくさんの陽子が必要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
• 陽子崩壊の発見• 素粒子の基本理論の構築 を目指す。
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Charge(pe) >15.013.1-15.011.4-13.1 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
Super-KamiokandeRun 999999 Event 294102-11-06:00:06:35
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
00 500 1000 1500 2000
0
182
364
546
728
910
Times (ns)
SK-IIIではこのような現象を捉えたいpp ee++ππ00 シミュレーションシミュレーション
γγ
ee++
γγ
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超新星ニュートリノ
超新星SN1987a
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超新星爆発とは?
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。
重い星の最後の姿
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。
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Supernova SN1987aSupernova 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。
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5MeV threshold
スーパーカミオカンデで期待される現象の数スーパーカミオカンデで期待される現象の数
~7,300 νe+p events~300 ν+e events~100 νe+16O events
for 10 kpc supernova
(-)
Neutrino flux and energy spectrum from Livermore simulation (T.Totani, K.Sato, H.E.Dalhed and J.R.Wilson, ApJ.496,216(1998))
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。
銀河中心
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Time profile of the explosionSN at 10kpc
Expected number of events in parenthesesNeutrino 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。
超新星爆発の時間発展
中性子化バースト
平均温度の変化
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0
20
40
60
80
100
-1 -0.5 0 0.5 1cos(θSN)
even
ts/b
in Energy = 10-20 MeV
02.5
57.510
12.515
17.520
22.525
-1 -0.5 0 0.5 1cos(θSN)
even
ts/b
in Energy = 30-40 MeV
0
10
20
30
40
50
60
-1 -0.5 0 0.5 1cos(θSN)
even
ts/b
in Energy = 20-30 MeV
0
10
20
30
40
50
-1 -0.5 0 0.5 1cos(θSN)
even
ts/b
in Energy = 5-10 MeV SN at 10kpc
νe+p
νe+p
νe+p νe+p
ν+e ν+e
ν+e ν+e
電子散乱事象を使えば超新星の方向がわかる電子散乱事象を使えば超新星の方向がわかる
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
ニュートリノ天文学
超新星との方向分布
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超新星背景ニュートリノ
宇宙の進化
Figure from S.Ando
現在
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期待される超新星背景ニュートリノのスペクトル期待される超新星背景ニュートリノのスペクトル
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)
Neutrino Energy (MeV)
Neu
trin
o Fl
ux p
er s
q-cm
per
sec
ond
per
MeV
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10
10 210 310 410 510 610 7
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Solar 8B
Solar hep
Atmospheric ν
超新星背景ニュートリノの予想
Reactor ν
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)
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次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器次世代陽子崩壊・ニュートリノ検出器
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次世代実験ハイパーカミオカンデ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
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comparison of data and MC in pcomparison of data and MC in p ee++ππ00 searchsearch
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まとめまとめ
スーパーカミオカンデは再出発します。スーパーカミオカンデは再出発します。完全なPMT数(2006年~)完全なPMT数(2006年~)高速、高精度エレクトロニクス(2008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~)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。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。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。もしさらに聞きたいことがあれば塩澤まで。[email protected]@icrr.u--tokyo.ac.jptokyo.ac.jp
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SKでの今までの結果(SKでの今までの結果( pp ee++ππ00探索)探索)SK-I (1489日) SK-II (804日)
全質量全質量
全運動量
全運動量
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年陽子崩壊から期待される範囲
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質量(eV)
世代
ニュートリノ質量の不思議
クォーク、電子類の質量
ニュートリノの質量は極めて小さい
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。
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:
mν =mquark,lepton
2
mR
重い右巻きニュートリノ(>>1010GeV)
?