【研究領域課題番号】18H03701 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ニュートリノ / 原子核 / 加速器 / 反応断面積 / 原子核乾板 / 素粒子実験

【研究成果の概要】

ニュートリノ振動をより高精度に測定するために、ニュートリノと水の反応を研究している。J-PARC加速器からのニュートリノビームを使い、原子核乾板測定器を用いることで水とのニュートリノ反応を高解像度で測定した。その結果、世界の他の実験では到達できなかった200MeV/cの低運動量まで陽子を観測することに成功した。また、荷電カレント・ニュートリノ反応断面積を世界最高の精度で測定した。我々のデータを使ってニュートリノ・原子核反応モデルの再現性を確認し、データがニュートリノ・原子核反応モデルの改良に適用できることがわかった。

【研究の社会的意義】

ニュートリノは素粒子と宇宙の研究のおいて重要である。ビッグバンの後に、なぜ反物質が消滅し、物質からなる我々の宇宙が誕生したかという根源的な謎を解明する鍵に「粒子と反粒子の間の対称性（CP対称性）」がある。最近、T2K実験から、ニュートリノでCP対称性が破れている兆候が観測されており、この観測の感度向上が素粒子の研究分野で望まれている。本研究は、この探索感度の向上のために新しい実験を行い、ニュートリノと原子核（水）との反応を世界最高の精度で測定した。また、ニュートリノは不思議な素粒子として一般の国民も興味を持っており、その好奇心を刺激する結果と言える。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】44,460千円 (直接経費: 34,200千円、間接経費: 10,260千円)

【研究領域課題番号】18H01227 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 素粒子実験 / 実験核物理 / 国際協力 / 加速器 / 超前方散乱 / 偏極実験 / CERN / 原子核実験 / 衝突型加速器 / ハドロン相互作用 / 空気シャワー / ニュートリノ

【研究成果の概要】

10の14乗から17乗電子ボルトの超高エネルギー宇宙線が起こす空気シャワーの精密理解のために、LHC13TeV陽子陽子衝突、及びRHIC510GeV偏極陽子陽子衝突での超前方に放出される中性粒子の研究を行ない、LHCとRHICの衝突エネルギー間での超前方ガンマ線生成のファイマンスケーリング則の成立、ATLAS実験との連動解析、RHIC横偏極衝突での超前方中性パイ中間子放出の左右非対称性の発見、などの成果を得た。また超前方粒子生成を担う回折散乱が空気シャワー発達に及ぼす影響について理解を進めた。加えて、LHC Run-3や陽子-酸素原子核衝突などの将来の測定への準備を行なった。

【研究の社会的意義】

核子―核子衝突での超前方粒子生成は、最もありふれた散乱事象であり、二次粒子が最も大きな縦運動量を担う過程として、宇宙線の空気シャワー発達や、大気ニュートリノ生成などに重要である。本課題では、2種の衝突型加速器LHCとRHICと用いて、10**14eVから10**17にいたるエネルギー領域で超高エネルギー宇宙線の超前方生成中性粒子を研究するLHCfおよびRHICf実験を推進し、その包括的解明を進めてきた。これらは世界で初めての貴重な測定データであり、宇宙線物理から高エネルギースピン物理まで幅広い分野を横断したユニークな横断研究の創出にもつながっている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】15,860千円 (直接経費: 12,200千円、間接経費: 3,660千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】17K14268 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子標準模型 / 超対称性 / LHC加速器 / ATLAS実験 / データ収集システム / エレクトロニクス / FPGA / DAQ / 素粒子 / 陽子陽子衝突 / トリガーシステム / 宇宙の始まり / LHC / ATLAS / トリガ / 素粒子実験 / 加速器

【研究成果の概要】

本研究課題ではCERN研究所の最高エネルギー陽子陽子衝突型加速器LHCにおいて、ATLAS検出器を用いた高純度の衝突データ取得を可能にするデータ収集システムを構築し、高統計データを用いて超対称性粒子の発見に挑戦した。多くの異なる検出器を有機的に統合することで、大幅な背景事象抑制を可能にするトリガーシステムの構築を完遂した。取得した大統計衝突データを用いて超対称性粒子の探索を行い、100 GeVからTeVのオーダーの質量を持つ超対称性粒子グルイーノ、電弱ゲージーノの研究を遂行した。本研究成果によって超対称性模型の理解を大きく進め、今後の素粒子標準模型を超えた新しい理論の研究の重要な指針となった。

【研究の社会的意義】

本研究の成果として、最新のエレクトロニクスの技術を駆使し先進的なトリガーシステムの構築に成功した。高速データ通信技術と大規模回路実装技術を組み合わせることで、リアルタイムの大規模データ処理を実現した。これは将来の加速器実験の大規模データ収集システム系の基礎となる重要な成果である。
また未開拓であった100 GeVからTeVスケールの質量を持つ超対称性粒子の理解を大きく進めることができた。この新たに得た知見は素粒子標準模型を超える新しい物理理論の今後の研究指針となる重要な成果であり、学術的意義は大きい。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】26247037 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 加速器実験 / 国際協力 / 実験核物理 / 素粒子実験 / 国際研究者交流 / ラージハドロンコライダー / CERN / 加速器 / LHC / RHIC

【研究成果の概要】

超高エネルギー宇宙線の観測手段である空気シャワーの精緻な理解のため、２つの衝突型加速器、CERN LHC及びブルックヘブンRHICにおいて、超前方生成ガンマ線、中性子、及び中性π中間子のエネルギースペクトル測定を行なった。宇宙線エネルギーとして10**14eVから10**17eVに至る幅広いエネルギーにおいて宇宙線ハドロン相互作用の研究を行ない、超前方粒子スペクトルの衝突エネルギー不変性「ファイマンスケーリング」の検証を行なった。さらにLHC ATLAS検出器との連動解析を行い、回折的散乱と非回折的散乱それぞれからの超前方ガンマ線生成スペクトルを明らかにした。

【研究の社会的意義】

超高エネルギー宇宙線の空気シャワー観測において、特に衝突エネルギーの大部分を担う超前方への粒子生成について、加速器実験データの不在による不定性が問題だった。本研究は、これまでで最高エネルギーである10**17eV相当の宇宙線が起こす超前方粒子生成について、LHCを用いた測定を行い初めて明らかにした。さらに、RHICでの測定を行い、単一検出器による10**14eVから10**17eVの幅広いエネルギー領域における系統的な超前方粒子生成データを取得し、衝突エネルギー依存性を明らかにした。また、RHICでの測定は偏極陽子陽子衝突での超前方測定として新しい核子構造研究の道を開くと期待される。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】40,690千円 (直接経費: 31,300千円、間接経費: 9,390千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】24244030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子 / ニュートリノ / 加速器 / ビーム / CP対称性 / ニュートリノ振動 / 素粒子実験 / 光子検出器

【研究成果の概要】

ニュートリノ振動の研究を中心に、反ニュートリノを使った基礎研究、次世代大型ニュートリノ実験に向けた開発研究をおこなった。T2K実験で、ミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動の信号を観測し、7.3σの信頼度で電子ニュートリノ出現を発見した。電子ニュートリノへの振動の確率を測定し、世界で初めてニュートリノCPの破れに制限を課した（δCP=-0.5πが最適値）。反ニュートリノビームを生成し、反ニュートリノ振動のパラメータを世界最高精度で測定した。
次世代実験ハイパーカミオカンデを使ったCPの破れの測定感度を調べた。また、高性能光センサーの開発に成功した（浜松フォトニクスと共同開発）。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2017-03-31

【配分額】45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】22340066 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高エネルギー実験 / トリガーシステム / 素粒子実験 / データ収集系 / ハイレベルトリガー / データ通信エレクトロニクス / データ収集システム / 加速器

【研究成果の概要】

本研究は、国内最大規模の加速器実験であるBelle II実験のピクセル型検出器(PXD: ビームパイプに最近接)のデータをシリコン崩壊点(SVD: PXDのすぐ外側)の情報を使って削減することを目標としている。電子-陽電子の衝突事象ごとのPXDの出力データサイズは、一切加工をしなければ800kBであり、事象レートの最大値を30kHzと設定しているBelle II実験で記録できるデータ帯域を大幅に超える。そこで4層からなるSVDの各層に残された荷電粒子の通過位置情報(4点分)をから荷電粒子の飛跡を高速に再構成し、これをPXD側に内挿して、飛跡とPXDの交点周辺のデータのみを記録する方針をとる。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010-04-01 - 2014-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】20674004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子(実験) / ニュートリノ / 加速器 / ニュートリノ質量 / ニュートリノ振動 / 光子検出器 / ニュートリノビーム / 素粒子実験 / 放射線、X線、粒子線

【研究成果の概要】

素粒子ニュートリノの混合現象を究明しニュートリノ質量の起源を探るため、加速器ニュートリノビームを使ってニュートリノ散乱実験(FermilabE954SciBooNE)と長期線ニュートリノ振動実験(J-PARCE11T2K)を実施した。SciBooNE実験では世界最高精度でニュートリノ反応断面積を測定した。T2K実験では、新しいニュートリノ振動モードであるミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの転換を発見した。これにより、ニュートリノに対する理解を飛躍的に進展させた

【研究種目】若手研究(S)

【研究期間】2008 - 2011

【配分額】68,380千円 (直接経費: 52,600千円、間接経費: 15,780千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】20403004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

宇宙線 / 素粒子実験 / 加速器 / 実験核物理 / 国際協力 / 国際研究者交流 / スイス:伊:米:仏

【研究成果の概要】

2009-2010年の0.9TeV及び7TeVでのLHC陽子陽子衝突に於いて、超前方領域における中性粒子の測定LHCf実験を行い、超高エネルギー宇宙線の空気シャワー形成に重要な0度ガンマ線スペクトルを測定した。7TeV衝突での0度でのガンマ線エネルギー分布の解析を進め、ハドロン相互作用モデルとの比較を行った最初の成果を公開した。その結果、データは従来のハドロン相互作用モデルの予測とは完全には一致せず、空気シャワー実験の解釈に一定の影響を及ぼすと示唆される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】16,510千円 (直接経費: 12,700千円、間接経費: 3,810千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】19204026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子実験 / 放射線、X線、粒子線 / 加速器 / ニュートリノ / 原子核反応

【研究成果の概要】

研究は全般にわたり予定通り順調に進んでいる。平成19年4月から、SciBooNE測定器の設置とコミッショニングを行い、6月から予定通りデータ収集を開始した。6月から8月まで反ニュートリノビームでデータ収集を行い5×10^<19>陽子ビームのデータを収得した。5月末にフェルミ研で開催された「ニュートリノ反応」に関する国際研究会NuInt07で、SciBooNEの最初のニュートリノ事象について報告した。それに続く、原子核の国際会議INPC2007で中家が、SciBooNE実験の現状について報告した。
夏に測定器の改善と保守点検を行い10月からはニュートリノビームモードでデータ収集を開始した。平成20年3月末までに、9.8×10^<19>陽子ビームデータをニュートリノモードで収集した。これは当初目標の10×10^<19>をほぼ達成したことを意味する。
実験期間中は、京都大学院生の平出、栗本、中島と東工大の武井の計4名が現地に滞在し、実験のデータ収集に責任を持った。そして、宇宙線データとLEDデータを使った検出器の較正を終了させた。また、東大宇宙線研の三塚が早戸の指導のもと、フェルミ研を訪れ、ニュートリノ反応シミュレータNEUTの改善を行った。物理解析としては、ニュートリノエネルギー測定に必要な荷電カレント準弾性反応と、そのバックグラウンドである共鳴1π生成反応の研究を重点的に進め,平成20年3月にフェルミ研で開催されたPAC(Program Advisory Committee)でその最初の結果を報告した。
また、フェルミ研でのニュートリノデータの収集と並行して、新型光検出器MPPCの開発を行った。MPPCがシンチレータの波長変換ファイバー読出し法に適した光検出器であることを示した。現在、SciBooNE実験に必要なMPPCの較正をおこなっている。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2007 - 2009

【配分額】30,420千円 (直接経費: 23,400千円、間接経費: 7,020千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】17340083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Bファクトリー / 加速器 / 素粒子実験 / Bファクトリ / 素粒子 / CP対称性の破れ / 標準模型 / 宇宙

【研究成果の概要】

高エネルギー加速器研究機構で検討されているSuper KEKB Bファクトリーなどの衝突型加速器の衝突点近傍のビームパイプの形状を、ビームのプロファイルに合わせて極小化し、測定器を衝突点に近づける可能性を検討した。これまでの加速器デザインでは、電子・陽電子ビームの電流が大きい、ビームの大きさが大きい、などの理由で超扁平型ビームパイプの工学設計には大きな問題がある事がわかった。しかしながら、加速器グループが最終年度後半になって検討を開始したナノビームオプションでは、超扁平型ビームパイプ使用の可能性が大きく高まった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】17,570千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 2,670千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】17340076 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子実験 / 放射線、X線、粒子線 / 加速器 / ニュートリノ / ビームモニター / 測定器 / ニュートリノ振動 / 原子核反応 / ニュートリノ質量 / フレーバー物理 / ニュートリノ反応

【研究成果の概要】

本研究では、2009年度開始予定の東海-神岡間長基線ニュートリノ振動実験(T2K実験)で採用する世界初非軸ニュートリノビームの生成方と制御方法、そしていかにビームを理解するかについて研究を行った。T2K実験では、まだ未確定のニュートリノ混合角θ13の測定と、ニュートリノ質量の二乗差と他の混合角θ23の精密測定を目指す。このために高品質・大強度ニュートリノビームの生成は実験の要である。本研究では平成17-18年の2年間で、次の5つの項目で飛躍的に研究を発展させた。
(1)K2K実験とスーパーカミオカンデ実験においてニュートリノ振動パラメータをより精密に決定した。この結果T2Kでのニュートリノビームの最適化が可能となった。
(2)ニュートリノビーム生成に関する研究を進めた.特にヨーロッパCERNで行ったハドロン生成測定実験(HARP実験)の結果を発表した。この結果、ニュートリノビームの性質をより正確に予測することが可能となった。
(3)ビーム制御に必要なミューオンモニター測定器の試作機を開発し、京大化研にある電子加速器のビームを使って測定器の性能を評価した。この結果、ビームモニターの実機版製作のデザインを確定できた。
(4)同じくビーム制御に必要なニュートリノモニター測定器の試作機を開発し、その性能評価を行った。また同時にビームパラメータの詳細をシミュレーションで評価した。
(5)ニュートリノ反応断面積測定のため新実験FNAL E954(sciBooNE実験)を米国フェルミ研で実現させた。SciBooNE実験で測定するニュートリノ反応断面積は、T2K実験でのニュートリノビームの理解に直結する。
以上の5つの成果をもって、より精密にT2K実験の非軸ニュートリノビーム生成方を理解することを可能とした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】12,400千円 (直接経費: 12,400千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】15540297 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子実験 / 測定器 / 加速器 / Bファクトリ / 素粒子 / ビームパイプ / Super KEKB / B中間子 / 超対称性 / 衝突点ビームパイプ / Bファクトリー / Geant4 / B->Dτν / Bs mixing

【研究成果の概要】

超扁平形衝突点ビームパイプの設計のための様々なスタディを行った。昨年度のスタディに基づき、ビームパイプ内側の形状を高さ1mm、幅10mm、長さ16mmとして設計を進めることにした。次に、ビームパイプの材質と、形状、厚さ等について検討した。材質については、純ベリリウムを採用した。厚さについても、500マイクロンとした。厚さについては、2mmとした。これらの設計値を元に、昨年に引き続いて測定器等のシミュレーションツールである、Geant4を利用して、幾つかの物理プロセスのシミュレーションを行った。本年度は、bクォーク対発生によるB中間子生成の事象と、その他のクォーク対発生の事象との区別が出来ないかを中心に調べた。解析対象の反応として、その他のクォーク対発生の事象が、混同しやすいと思われる、B中間子が二つの軽い荷電粒子に崩壊する反応について、調べた。CP側(B→Kpi)のバーテックスの検出精度が、超扁平形衝突点ビームパイプ使用事は、通常の半径1.5cmのビームパイプ使用時と比べて、z方向の精度(分解能)が約49マイクロンから15マイクロンへ改善されることがわかった。タグ側(B中間子の不例バーを測定する側)では、同じく103マイクロンが24マイクロンへと大きく向上することがわかった。タグ側と、CP側の崩壊位置のZ座標の差に関しては、130マイクロンが38マイクロンへと向上する。通常のクォーク対生成の場合は、Zの崩壊位置の差は0を中心に分布するので、検出精度が高ければ高いほど、通常のクォークついのイベントを抑制する事が出来る。この結果、信号雑音比において、CP側の崩壊モードによって約13から60%の向上が見られることがわかった。この結果は、2004年11月16~17日にKEKで行われた、第6回ハイルミノシティワークショップで海野が発表した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)