Transcript ニュートリノは
東海村議会原子力問題調査特別委員会 勉強案件「ニュートリノ実験施設」御説明資料 J-PARCでのニュートリノ実験 “T2K” 長基線ニュートリノ振動実験 ～東海から神岡へ～ ２００４年７月１５日 日本原子力研究所 (JAERI) 高エネルギー加速器研究機構 (KEK) 1 Tokai-to-Kamioka (T2K) 長基線ニュートリノ振動実験 目標 電子ニュートリノ出現の発見q13決定 ミューニュートリノ消失の精密測定q23, m23 2 x 振動確率＠ m2=3x10-3eV2 OA0° OA2° 特徴 世界最大強度のニュートリノビーム 世界最大の検出器スーパーカミオカンデ 世界最高感度を目指す OA2.5° OA3° 1600CC/yr/22.5kt (2.5deg) 2 大強度陽子加速器施設：J-PARC 茨城県東海村に２００８年完成予定 KEK-PSの~100倍の強度 原子核素粒子実験施設 （ハドロン実験施設） 物質・生命科学実験施設 ５００ｍ！ 核変換実験施設 ニュートリノ実験施設 （神岡検出器へ) 線形加速器 (350m) 3GeVシンクロトロン （25Hz,1MW） 50GeVシンクロトロン （0.75MW) J-PARC = Japan Proton Accelerator Research Complex 3 ニュートリノとは？ 物質を構成する基本粒子「素粒子」の仲間 なぜか３種類ある（？？）(「世代」と呼ぶ) 電子ニュートリノ ミューニュートリノ タウニュートリノ ほとんど何ともぶつからず通り抜ける。 １９３０年、パウリが予言、発見は２６年後 電気的に中性、質量は非常に小さい（？） 壊れることなく永久に光速で飛びつづける（？） 4 素粒子の仲間 同じような性質 を持ち重さが違 う３つの階層(世 代)がある。 なぜかは分か らない。 素粒子物理の 大きな課題の 一つ。 5 他の素粒子に比べ 何桁も軽い。 本当にどれだけの 重さが有るのか分 かってない。 上限だけが分かっ ている。 なぜ軽いのか分 かってない。(素粒 子物理学の大きな 課題) 対数 ニュートリノはなぜかとても軽い。 ３ｇ １兆ｘ１兆 1010 108 106 104 102 ２ｇ １兆ｘ１兆ｘ１０００億 6 ニュートリノは物質となかなか反応 しない ・・・・・・・・・・・・・ 地球を５０億個並べる（７光年の長さ） ニュートリノ ニュートリノは、この間にやっと１回反応する程度 地球 太陽からのニュートリノの場合 大気ニュートリノの場合は鉄約１億ｋｍで１回。 7 身近なニュートリノの例 太陽から来るニュートリノ 毎秒1平方ｃｍあたり約660億個。 (１秒あたり人体を約３００兆個通過) 大気ニュートリノ 宇宙から来る放射線(主に陽子)が大気で反応を起 こし生成されるニュートリノ 毎秒１平方ｃｍあたり約１個。 宇宙初期から宇宙を満たすニュートリノ ２ｍｘ２ｍｘ２ｍの大きさに約30億個 8 自然界のニュートリノ(1)：太陽ニュートリノ 例えば 陽子 陽子 電子ニュートリノ 地球の表面で、１秒間、1平方センチメー トルあたり、 6x1010 = 600億個 重陽子(陽子+ 中性子) (陽)電子 のニュートリノが太陽から降ってきている。 9 自然界のニュートリノ(2): 大気ニュートリノ 一次宇宙線(陽子、ヘリウム) p, He 高さ=10-20 km p±, K± p, He ... ± e± L = 10~30km e L=13000km p, He ... p, He ... 1秒間に１平方センチメートル辺り、 １個のニュートリノが空から降ってきている。 10 宇宙の中のニュートリノ ３種類のニュートリノ 電子型 ミュー型 タウ型 e t ２ｍ それぞれ １０億個！ 11 宇宙の中の陽子と電子 宇宙全体で平均してみると 陽子と電子は箱の中に １個ずつ ２ｍ 12 T2K実験の目的 J-PARCの世界最大強度ビーム を用いて、 ニュートリノ振動現象を詳細に 調べることにより、 ニュートリノの重さ、世代間の関 係を明らかにし、 極微の世界をつかさどる究極の 法則を探求すること。 13 ニュートリノ振動とは？ ニュートリノが飛行中に別の世代のニュートリ ノへ変化する現象。 ニュートリノが重さを持つときに限り起こる。 変化の仕方は、飛行距離、ニュートリノの重さ、 エネルギーによって決まる。 t ミューニュートリノ タウニュートリノ 14 T2K実験での測定 ミューニュートリノ を作る。 J-PARC 約１０００分の１秒で神岡に到達 (東海) 電子ニュートリノの反応を探す。(未発見の振動。最重要課題) ミューニュートリノの減少を測る。性質の解明。 15 人工ニュートリノビームの作り方 陽子を光速の９９．９８％に加速し標的に当て、大量のπ中間 子を生成。(3.6秒に１回３００兆個の陽子) π中間子を磁石で神岡方向に収束。 π中間子が崩壊パイプを飛行中に崩壊しミューニュートリノが 生成される。 ニュートリノ以外の粒子をビームダンプ(ニュートリノフィル ター)で止める。 生成直後のニュートリノの性質を「前置検出器」で測定。 16 ニュートリノ施設 電磁ホーン ニュートリノモニター棟 標的(グラファイト) •建設ほぼ終了 •機器の立ち上げ調整中 •２００９年4月からビーム受入れ開始 一次陽子ビームライン(超伝導) CERNから寄贈された UA1磁石(1000ton). ニュートリノモニター棟内に 設置済み ビームダンプ ターゲットステーション完成 17 Decay volume completed 17 ニュートリノ検出器：スーパーカミ 反応標的:水50000トン(超純水) オカンデ スーパーカミオカンデ 水槽の内面に11146本の 光電子増倍管(photomultiplier tube:PMT) 外水槽のPMTで外来粒子を検出 岐阜県 神岡町池の山 １０００ｍ ４０ｍ 東京大学宇宙線研究所 18 スーパーカミオカンデと光電子増 倍管 19 スーパーカミオカンデでのニュートリノの検出 J-PARC ニュートリノが水を蹴飛ばした時にでるわずかな光 （チェレンコフ光）を１万１千本の光センサーで検出する。 東海からのニュートリノが１日におよそ２兆５千億個 スーパーカミオカンデを通過する。 そのうち検出できるニュートリノの数は１日に数十個 程度。(それでもK2Kより約１００倍多い。) 20 ニュートリノ(反応)の捉え方 反応で出てきた荷電粒子が出す チェレンコフ光を検出 光センサー 荷電粒子が 媒質中の光速 より速く走るとき に放射される。 v:荷電粒子の速度 c:光速 n:屈折率 円錐状に放射 21 期待されるニュートリノの数 (１日に2兆5千万個) 22 J-PARCから来たニュートリノを識別：ＧＰＳ １日 約10個 １日 約１０個 J-PARCから 大気ニュートリノ 到着時間で区別する GPS (１０００万分の１秒の誤差) 今うったよ J-PARC 今きたよ ニュートリノ飛行時間 約１０００分の１秒 SK 23 ニュートリノの種類を識別するには？ 電子ニュートリノ 電子 生成された 粒子の種類で 識別 μニュートリノ μ粒子 τニュートリノ τ粒子 Q３:τ粒子の質量を1.8GeV/c2として、一番したの反応が起こるために必要な最低のニュートリノエネルギーは？ 24 24 とeの識別 素直に走るためパターンが きれいなリング e- e e- g e- e+ g ee- 電磁シャワーを起こすた めパターンが汚い 25 25 e振動で予想される信号と感度 電子ニュートリノ候補事象 信号事象 シミュレーション １０倍以上感度向上 背景事象 sin22q13=0.1, 2.5deg, 750kWx5yr sin22q13 (CC+NC) Beam e Osc’d e 0.1 10 17 143 26 26 J-PARC Neutrino Facility Start Operation First shot after turning on arc section superconducting magnets at 19:09, Apr.23, 2009 Ion chamber Silicon detector Scintillator (for commissioning) Muon monitor signals Neutrino production is confirmed by associated muon signal 27 J-PARC Neutrino Facility Start Operation 28 まとめ。予定。 T2K実験 原研東海村のJ-PARCを用いて、これまでの約１ ００倍強いニュートリノビームを生成。 ２９５ｋｍ先のスーパーカミオカンデで検出 ニュートリノ振動現象の精密測定を通して、物質 の究極の世界を探る。 ５年間(２００４年度～２００８年度)かけて原研 敷地内のニュートリノ生成装置を建設。 ２００９年実験開始の予定。 29 小柴先生 ２００２年ノーベル物理学賞 天体物理学に対するパイオニア的貢献、 特に宇宙ニュートリノの観測に対して 1987年の業績 30 １９９８年６月５日 ニュートリノ振動発見！ 31 なんと！ 祝２００８年ノーベル物理学賞！ 南部陽一郎氏 素粒子物理学に自発的破れた対称性の 機構を導入したことについて (標準理論で粒子に質量を与える仕組み) 小林誠氏(元KEK素核研所長) 益川敏英氏(元京大基研所長) 自然界に少なくとも3世代のクォークが存在 することを予言した対称性の破れの起源の 発見について （小林益川理論） どちらもニュートリにも深く 関係している。 32 素粒子 物質を構成する究極の単位 火？水？土？＝原子 原子＝原子核と電子 原子核＝陽子と中性子 陽子＝３つのクオーク クオーク＝素粒子？ 永遠にわからないもの？ 33 自然界を構成する素粒子の主役達 ミュー粒子 クオーク 陽子 原子核 中性子 電子 ニュートリノ 原子核をくっつけるノリ パイ中間子 34 素粒子と力 重力 弱い 弱い力 β崩壊 電磁気力 森羅万象 強い力 強い 核力 原子核を保つ 35 現在の素粒子の世界像（標準模型） これまで全ての実験結果 を説明！！大成功！ ニュートリノ質量は０ しかし、素粒子屋（理論屋、 実験屋とも）は不満足 。 なぜ3世代？ 質量や電荷を説明できない などなど 究極の理論の近似であろ う？ 標準模型を超える新しい 理論 素粒子屋の長年の夢 36 素粒子物理学の大目標 大統一理論 (Grand Unified Theory: GUT) 未知! 電弱理論 (Electroweak theory) 確立! 強い力:量子色力学 (Quantum Chromo Dynamics) 標準模型 電磁気学 量子電磁力学(QED) ニュートン１９９８年７月号 全ての力を記述する一つの統一理論の構築 37 ニュートリノとは？ New Trino (新しいトリノ)ではない。 Neutrino 物質を構成する基本粒子「素粒子」の仲間 なぜか３種類ある（？） 中性Neutrにちっちゃいという意味のino:中性微子 電子ニュートリノ（e） ミューニュートリノ（） タウニュートリノ（t） １９３０年、パウリが予言、発見は２６年後 ほとんど何ともぶつからず通り抜ける 電気的に中性、質量はゼロ（？） 壊れることなく永久に光速で飛びつづける（？） 38 自然界のニュートリノ 太陽(からの)ニュートリノ ～MeV ～600億個/cm2/秒 核融合反応からのe 大気(からの)ニュートリノ ～GeV 宇宙線(p,He)と大気分子の衝突で生成される, e ～1個/cm2/秒 地球(内部からの)ニュートリノ ～MeV ～400万個/cm2/秒 ～10MeV ～1000億個/cm2 U, Puの崩壊でできる反電子ニュートリノ 超新星(からの)ニュートリノ 電子陽電子対消滅などからのe,,t 宇宙背景ニュートリノ SN1987A(15万光年) ～meV ～10兆個/cm2/秒 宇宙初期に生成されたニュートリノが冷えて(エネルギーが下がって)漂っている。 e,,t 39 他の素粒子に比べ何 桁も軽い。 本当にどれだけの重 さが有るのか分かっ てない。 上限だけが分かって いる。 なぜ軽いのか分かっ てない。(素粒子物理 学の大きな課題) 対数 ニュートリノはなぜかとても軽い。 ３ｇ １兆ｘ１兆 1010 108 106 104 102 ２ｇ １兆ｘ１兆ｘ１０００億 40 ニュートリノは物質となかなか反応 しない ・・・・・・・・・・・・・ 地球を５０億個並べる（７光年の長さ） ニュートリノ ニュートリノは、この間にやっと１回反応する程度 地球 太陽からのニュートリノの場合 大気ニュートリノの場合は鉄約１億ｋｍで１回。 41 ニュートリノの謎 極端に軽い（質量が小さい） eの質量 電子の約5桁以上軽い！！ なぜ他のレプトン、クォークに比べてそんなに軽いの か？ 非常に軽いν質量を説明する有力な理論 世代間の関係は？ シーソー模型(柳田1974) 非常に大きな質量を持つ粒子の存在を示唆 クォークと大きく異なっているように見える。(後述) ニュートリノの性質を解明することにより、大統一 理論の重大なヒントが得られる可能性がある！！ 42 日本のリーダー。残念。ご冥福を。 日経サイエンス2008年４～１０月号ニュートリノ特集参照(10月は追悼) 文芸春秋８，９月号など 43 カミオカンデ実験（１９８３ー１９９６年） 岐阜県神岡町神岡鉱山 地下１０００メートルの場所に ３０００トン水タンクを建設 １０００本の20インチ光電子 増倍管 44 超新星爆発 1987 Feb 23 16:35:35 １７万光年離れた 大マゼラン星雲内 ＳＮ１９８７Ａと命名 SN:Supernova(超新 星) 45 我々の銀河 太陽 大マゼラン星雲 １７万光年彼方 小マゼラン星雲 われわれの銀河の “ごく近く”。(伴銀河) http://science.nasa.gov/newhome/headlines/ast15jul99_1.htm 46 カミオカンデが捉えた超新星のデータ Visible energy (MeV) ニュートリノのエネルギー e + p e e+ +n e+ p n １３秒間に１１個の ニュートリノを捕らえた。 その瞬間に通り抜けて 行ったニュートリノの数 は、 １０００億個/cm2 バックグラウンドレベル 秒 JT: 1987 Feb 23 16:35:35 (±1min) UT: 7:35:35 Time 47 ニュートリノ(反応)の捉え方 反応で出てきた荷電粒子が出す チェレンコフ光を検出 光センサー 荷電粒子が 媒質中の光速 より速く走るとき に放射される。 v:荷電粒子の速度 c:光速 n:屈折率 円錐状に放射 とeの識別 素直に走るためパターンが きれいなリング e- e e- g e- e+ g ee- 電磁シャワーを起こすた めパターンが汚い 49 大気ニュートリノの上下非対称性の発見 Super-K g t 振動の証拠 ミューニュートリノ のまま検出 決定的証拠！ t に変身 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 のまま 上向き 下向き 50 ニュートリノ振動の発見！ １９９８年はスーパーカミオカンデは大気ニュートリノで ニュートリノ振動が起こっていると発表 ニュートリノ質量の初めての証拠 大発見！ 標準模型で説明できない始めての測定！ ミュー型ニュートリノとタウ型ニュートリノの振動 ２タイプの質量の差は電子の重さの約１０００万分の１ Q４-1：大気ニュートリノの数1/cm2/secのとき１日におおよそ何個のニュートリノがSKを通過するか？ Q4-2: エネルギー１GeV, 反応断面積１０－３８ ｃｍ２として、22.5ktonのSKで1日いくらの反応があるか？ Q４-3:大気ニュートリノのエネルギーを１GeVとして、大気ニュートリノの観測はおおよそどのくらいの範囲の質量自乗差に感度があるか？ 51 ニュートリノビームの作り方 崩壊領域 収束 陽子 標的 ビーム 装置 p ビームダンプ 収束装置: 電磁ホーン p beam 磁場 磁場 p+ p+ 半径 ｒ 電流 Aluminum I [ A] 10 磁場強さ B 5r [m] B 4.3 T , r 15 mm, I 320kA トロイダル磁場 B [T ] 純粋な ビーム (≳99%) ニュートリノ／反ニュートリノはホーンの極性反転で切り替え 52 （April 1996 commissioned） 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２０インチ光電子 増倍管 光電面被覆率 ４０％ 地下１０００ｍの神岡鉱山内 40m 53 53 ターゲットステーション内の機器 ビームコリメータ 設置済み(英) ビーム窓 設置済み (英) 4月よりビーム受入れ ＲＥＡＤＹ！ 標的完成 設置済み。 標的直上流陽子モニター (カナダ)完成、設置済み。 第1ホーン完成 設置済み。 第2ホーン完成 (USの貢献)７月設置済み。 第3ホーン完成 試設置済み 2009夏設置予定 54 54 T2K (東海to神岡)長基線ニュートリノ振動実験 スーパーカミオカンデ T2K実験(2009~) J-PARC @JAERI ４０ｍ J-PARCで生成したニュートリノを295km先の検出器 “スーパーカミオカンデ”で検出し、ニュートリノの性 質を調べる。 Ｋ２Ｋ実験のおよそ１００倍のビーム強度 55