ハイパーカミオカンデ
日本のニュートリノ観測所
ハイパーカミオカンデ実験の概要

ハイパーカミオカンデ（ハイパーKまたはHKとも呼ばれる）は、日本の岐阜県飛騨市と茨城県東海村に建設中のニュートリノ観測 ・実験装置である。東京大学と高エネルギー加速器研究機構（KEK）が、世界6大陸20カ国以上の研究機関と共同で運営している。 [1] [2]スーパーカミオカンデ（スーパーKまたはSKとも呼ばれる）およびT2K実験の後継として、陽子崩壊の探索や地球、大気、太陽、宇宙などの自然発生源からのニュートリノの検出、人工加速器ニュートリノビームのニュートリノ振動の研究を目的として設計されている。[3] : 6, 20–28 データ収集の開始は2028年の予定である。[4]

ハイパーカミオカンデ実験施設は、以下の2か所に設置されます。

  • ニュートリノビームはJ-PARC加速器施設（）で生成され、日本の東海岸に位置する茨城県東海村にある前置検出器と中置検出器のセットで研究される。 [3] : 31 
  • ハイパーカミオカンデ（HK）とも呼ばれる主検出器は、日本アルプス（岐阜県飛騨市二十五岳）の山頂に建設中です（）。HK検出器は、陽子崩壊の探索、天然起源のニュートリノの研究、そして加速器ニュートリノビームの振動を最初の振動極大に対応する距離で測定するための遠方検出器として使用されます。[3] : 53–56  [5]

物理学プログラム

加速器と大気ニュートリノ振動

ニュートリノ振動は、ニュートリノのフレーバーが変化する量子力学的現象である（ニュートリノフレーバーの状態：ν
e、ν
μ、ν
τニュートリノのフレーバー状態はニュートリノの質量状態（それぞれ質量がm 1 、 m 2、 m 3であるν 1、ν 2、ν 3）の混合であるため、振動確率は6つの理論パラメータに依存します。

  • 質量状態とフレーバー状態の混合を支配する3つの混合角（θ 12、θ 23、θ 13 ）
  • 2つの質量の二乗差（∆m 2 21と∆m 2 32、ただし∆m 2 ij = m 2 i – m 2 j）
  • ニュートリノ振動における物質・反物質非対称性（CP対称性の破れ）の原因となる1つの位相（δCP）

特定の実験のために選択される2つのパラメータ:

  • ニュートリノエネルギー
  • ベースライン – ニュートリノの振動が測定される距離。[6] : 285–311  [3] : 20–23 

T2K実験による研究を継続し、HK後置検出器はビーム（J-PARCでほぼ純粋なミューニュートリノビームとして生成される）内の電子ニュートリノとミューニュートリノのエネルギースペクトルを測定し、振動がない場合の期待値と比較します。この期待値は、ニュートリノフラックスと相互作用モデルに基づいて最初に計算され、前置検出器と中間検出器による測定によって改善されます。HK/T2Kニュートリノビームのピークエネルギー（600 MeV）とJ-PARC-HK/SK検出器距離（295 km）の場合、これは、∆m 2 32によって駆動される振動の最初の振動最大値に相当します。J-PARCニュートリノビームは、ニュートリノ増強モードと反ニュートリノ増強モードの両方で別々に実行されます。つまり、各ビームモードでのニュートリノ測定は、ミューニュートリノ（反）ニュートリノの生存確率P ν
μ→ ν
μ、Pν
μ→ ν
μ、電子（反）ニュートリノ出現確率P ν
μ→ ν
e、Pν
μ→ ν
eここでPνα →Pνβは、元々 αフレーバーのニュートリノが後にβフレーバーを持つものとして観測される確率である。[3] ：202–224 

δCPの真の値の関数としてCP保存を排除するハイパーKの能力

ニュートリノと反ニュートリノの出現確率の比較（Pν
μ→ ν
eP νに対して
μ→ ν
e）は δ CP位相の測定を可能にする。 δ CP の範囲は−πから+π（−180°から+180°）であり、0 および ±π は CP 対称性の保存に対応する。 10 年間のデータ取得後、HK は、起こり得るδ CP値の 57% について、ニュートリノ振動で CP 対称性が破れているかどうかを 5σ信頼水準以上で確認すると期待されている。 CP 対称性の破れは、初期宇宙で物質が反物質を上回った状態を生み出すために必要な条件の 1 つであり、これが現在の物質で構成された宇宙を形成している。 加速器ニュートリノは、ニュートリノ相互作用の研究だけでなく、他の振動パラメータ、|∆m 2 32 |、θ 23、θ 13の精度を高めるためにも使用される。[3] : 202–224 

ニュートリノの質量順序（ ν 3 の質量固有状態が ν 1と ν 2の両方よりも軽いか重いか）、あるいはそれと同等に ∆m 2 32パラメータの未知の符号を決定するためには、物質中でニュートリノ振動を観測する必要がある。HKビームニュートリノ（295 km、600 MeV）では、物質効果は小さい。ビームニュートリノに加えて、HK実験は大気ニュートリノを研究する。大気ニュートリノは、宇宙線が地球の大気と衝突してニュートリノやその他の副産物を生成することによって生成される。これらのニュートリノは地球上のあらゆる地点で生成されるため、HKは物質中を広範囲の距離（数百メートルから地球の直径まで）を旅してきたニュートリノにアクセスできる。これらのニュートリノサンプルを使用して、ニュートリノの質量順序を決定することができる。[3] : 225–237 

最終的には、ビームニュートリノと大気ニュートリノを組み合わせた解析が、振動パラメータδCP、|∆m 2 32 |、sgn ∆m 2 32、θ 23、θ 13に対して最も感度の高い解析結果をもたらすだろう。[3] ：228–233 

ニュートリノ天文学と地球ニュートリノ

重力崩壊型超新星爆発は大量のニュートリノを生成する。アンドロメダ銀河の超新星の場合、HK後部検出器で10から16のニュートリノ事象が予測される。10kpcの距離にある銀河系内超新星の場合、数十秒間に約50,000から94,000のニュートリノ相互作用が予測される。0.2kpcの距離にあるベテルギウスの場合、この率は1秒あたり最大10 8 の相互作用に達する可能性があり、検出器の電子機器およびデータ収集（DAQ）システムの設計ではこのような高い事象率が考慮されており、データが失われることはない。HKに記録された事象の数とその平均エネルギーの時間プロファイルにより、爆発のモデルをテストできる。HK後部検出器のニュートリノ方向情報は、電磁超新星観測の早期警報を提供でき、他のマルチメッセンジャー観測にも使用できる。[3] : 263–280  [7]

宇宙の歴史を通じて超新星爆発によって累積的に生成されるニュートリノは、超新星残余ニュートリノ（SRN）または拡散超新星背景ニュートリノ（DSNB）と呼ばれ、星形成史に関する情報を担っています。そのフラックスが低い（数十/ cm² /秒）ため、未だ発見されていません。今後10年間のデータ取得により、HKは16～30MeVのエネルギー範囲で約40件のSRN事象を検出することが期待されています。[3] : 276–280  [8]

太陽 のν
eHK実験の目標は次のとおりです。

  • ニュートリノフラックスの昼夜非対称性の探索 – これは物質中を移動する距離の違い（夜間にはニュートリノは検出器に入る前に地球を横切る）と、物質効果によって引き起こされる振動確率の違いに起因する。[3] : 238–244 
  • νの測定
    e    2MeVから7MeVの間のニュートリノエネルギーの生存確率（それぞれ真空中の振動と物質中の振動が支配的な領域の間）は、ステライルニュートリノや非標準的な相互作用などの新しい物理モデルに敏感である。 [3] : 238–244  [9]
  • ヘップチャネルからのニュートリノの最初の観測：標準太陽モデルによる予測。[3] ：238–244  3 彼 + p → 4 彼 + e + + ν e {\displaystyle {^{3}}{\text{He}}+{\text{p}}\to {^{4}}{\text{He}}+{\text{e}}^{+}+\operatorname {\nu } _{\text{e}}}
  • ニュートリノフラックスと太陽活動（例えば11年周期の太陽活動）の比較[10]

地球ニュートリノは地球内部の放射性核種の崩壊によって生成される。ハイパーカミオカンデにおける地球ニュートリノ研究は、地球磁場の生成と関連する地球核の化学組成を評価するのに役立つだろう。[3] : 292–293 

陽子崩壊

自由陽子がより軽い素粒子に崩壊する現象はこれまで観測されていないが、いくつかの大統一理論（GUT）によって予測されており、重粒子数（B）の破れの結果である。Bの破れは、宇宙において物質が反物質よりも優勢であることを説明するのに必要な条件の一つである。HKが研究した主な経路はpである。+
→え+
+ π0
これは多くのGUTモデルで支持されており、+
→ ν + K+
超対称性理論を含む理論によって予測されている。 [11]

10年間のデータ収集後（崩壊が観測されない場合）、HKは最も感度の高い崩壊チャネルの陽子平均寿命の下限を1.6 ・ 10 34から6.3 ・ 10 34年に増加させることが期待されます（p+
→え+
+ π0
）およびpについては0.7 ・ 10 34から2.0 ・ 10 34年まで増加した。+
→ ν + K+
チャンネル。[3] [12]

暗黒物質

暗黒物質は、銀河系に不可視の質量が存在することを示唆する数々の天文学的観測を説明するために提唱された、非発光性の仮説的物質形態である。暗黒物質粒子が弱い相互作用をすると、対消滅または崩壊によってニュートリノを生成する可能性がある。これらのニュートリノは、銀河中心、太陽、地球などの大きな重力ポテンシャルの方向から等方的な大気ニュートリノ背景を透過して、HK検出器で過剰なニュートリノとして観測される可能性がある。[3] : 281–286 

実験の説明

ハイパーカミオカンデ実験は、加速器ニュートリノビームライン、前置検出器、中間検出器、そして後置検出器（ハイパーカミオカンデとも呼ばれる）から構成されています。後置検出器は単独で陽子崩壊の探索と天然起源ニュートリノの研究に用いられます。上記のすべての要素は、加速器ニュートリノ振動の研究に使用されます。HK実験の開始前に、T2K実験はデータ取得を終了し、HK実験はニュートリノビームラインと前置検出器を引き継ぎます。その間、中間検出器と後置検出器は新たに建設される必要があります。[13]

ニュートリノビームライン

近接検出器

中間水チェレンコフ検出器

中間水チェレンコフ検出器（IWCD）は、ニュートリノ生成場所から約750メートル（2,460フィート）の距離に設置されます。直径10メートル（33フィート）、高さ50メートル（160フィート）の水で満たされた円筒形で、高さ10メートル（33フィート）の構造物には約400個のマルチPMTモジュール（mPMT）が取り付けられます。各モジュールは、直径8センチメートル（3.1インチ）の光電子増倍管（PMT）19本を防水容器に封入したものです。この構造物はクレーンシステムによって垂直方向に移動され、ニュートリノビームの中心に対する角度（オフアクシス角）の異なる角度（下部1°から上部4°まで）でニュートリノ相互作用を測定します。これにより、異なるニュートリノエネルギースペクトルが得られます。[注 1]

異なるオフ軸角度からの結果を組み合わせることで、ニュートリノ相互作用の理論モデルに頼ることなく、ニュートリノエネルギーを再構築し、ほぼ単エネルギーニュートリノスペクトルの結果を抽出することができます。ほぼ同じ角度と運動量アクセプタンスを持つ遠距離検出器と同じタイプの検出器を使用することで、検出器応答シミュレーションに頼ることなく、これら2つの検出器の結果を比較することができます。ニュートリノ相互作用と検出器応答モデルに依存しないこの2つの事実により、HKは振動解析における系統的誤差を最小限に抑えることができます。このような検出器設計のさらなる利点は、異なるオフ軸角度におけるステライル 振動パターンの探索と、オフ軸角度が大きいほど割合が大きくなる電子ニュートリノ相互作用のよりクリーンなサンプルの取得が可能であることです。 [3] : 47–50  [14] [15] [16] [17]

ハイパーカミオカンデ遠距離検出器

水チェレンコフ検出器であるハイパーカミオカンデ遠距離検出器の概略図

ハイパーカミオカンデ検出器は、スーパーカミオカンデ（SK）検出器から南に8キロメートル（5.0マイル）離れた、栃洞鉱山の二十五山山頂地下650メートル（2,130フィート）に建設される。両検出器は、ニュートリノビーム中心に対して同じオフアクシス角（2.5°）で設置され、 J-PARCのビーム生成場所から同じ距離（295キロメートル（183マイル））に設置される。[注 2] [3] : 35  [18]

ハイパーカミオカンデ遠方検出器内部検出器用50cm R12860 PMTの模型

HKは水 チェレンコフ検出器で、SK検出器の5倍の大きさ（水量258千トン）です。直径68メートル（223フィート）、高さ71メートル（233フィート）の円筒形のタンクです。タンクの容積は、幅60センチメートルの非活性円筒構造によって内側検出器（ID）と外側検出器（OD）に分割されます。この構造の外縁は、タンクの垂直壁から1メートル、水平壁から2メートル離れた場所に配置されます。この構造はIDとODを光学的に分離し、IDの内側とODの外側の両方を向く光電子増倍管（PMT）を設置します。 [18] [19]

検出器（ID）には、浜松ホトニクス社製R12860型、直径50センチメートル（20インチ）の光電子増倍管（PMT）が少なくとも2万本と、約800台のマルチPMTモジュール（mPMT）が設置される。各mPMTモジュールは、防水容器に封入された直径8センチメートル（3.1インチ）のPMT19個で構成される。検出器（OD）には、入射光子を集光し、結合されたPMTへ輸送する0.6×30×30cm 3の波長シ​​フト（WLS）プレートと結合した直径8センチメートル（3.1インチ）のPMTが少なくとも3,600本設置される。これにより、検出器は内部で発生する相互作用と検出器外部から侵入する粒子（主に宇宙線ミューオン）を区別する遮断層（veto [note 3]として機能する。[18] [19] [17]

J-PARCニュートリノビーム日本から韓国へ

HK検出器の建設は2020年に始まり、データ収集の開始は2028年と予想されている。[3] [4] [13] : 24 主空洞の掘削は2025年7月31日に完了した。[20]また、J-PARCから約1100km離れた韓国に2つ目の同一の水チェレンコフタンクを建設することの実現可能性と物理的利点に関する研究も行われており、最初のタンクの6年後に稼働する予定である。[5] [21]

歴史とスケジュール

ハイパーカミオカンデ検出器建設スケジュール

日本における大型水チェレンコフ検出器の歴史と、それに関連する長基線ニュートリノ振動実験（香港を除く）

ハイパーカミオカンデ実験の歴史:

  • 1999年9月：新しい実験の最初のアイデアが発表された[22]
  • 2000年：「ハイパーカミオカンデ」という名称が初めて使用される[23]
  • 2011年9月：LOIの提出[24]
  • 2015年1月：ハイパーカミオカンデ計画における協力のための覚書が、 ICRRとKEKの2つのホスト機関によって締結された。ハイパーカミオカンデ・プロトコラボレーションの形成[25] [26]
  • 2018 年 5 月: ハイパーカミオカンデ設計レポート[3]
  • 2018年9月：文部科学省から2019年に配分されたシード資金[27]
  • 2020年2月：国会で正式に承認されたプロジェクト[4]
  • 2020年6月：ハイパーカミオカンデ共同研究の結成
  • 2021年5月：HK検出器アクセストンネル掘削開始[28]
  • 2021年：光電子増倍管の量産開始[29]
  • 2022年2月：アクセストンネル工事の完了[30]
  • 2023年10月：HK検出器主空洞ドームセクションの完成[31]
  • 2025年7月：主洞窟の掘削が完了[32]
  • 2028年：データ収集開始予定[4]

注記

  1. ^ ニュートリノの平均エネルギーはビーム軸からの偏差とともに減少します。
  2. ^ スーパーカミオカンデ検出器は、T2K実験によるニュートリノ振動解析のための後置検出器として機能します。しかし、スーパーカミオカンデは陽子崩壊の探索や天然起源のニュートリノの研究という点では独立した実験でもあります。
  3. ^ Vetoは、イベントを受け入れるためにアクティビティが登録されてはならないという検出器の一部です。この要件により、選択されたサンプル内のバックグラウンドイベントの数を制限することができます。

参照

参考文献

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ウィキメディア コモンズには、T2K に関連するメディアがあります。
  • ハイパーカミオカンデのウェブサイト

北緯36度26分42秒 東経140度36分22秒 / 北緯36.445度 東経140.606度 / 36.445; 140.606 北緯36度21分20分105秒 東経137度18分49.137秒 / 北緯36.35558472度 東経137.31364917度 / 36.35558472; 137.31364917 [1] : 56 

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