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＠本郷現代物理学入門＠本郷２００６年７月３日２００６年７月３日

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。

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）

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

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

スーパーカミオカンデ実験スーパーカミオカンデ実験

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

現在の標準理論における「素」粒子

= 陽子Proton

= 中性子Neutron

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）

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

Water Cherenkov Detector

Light emission from a charged particle –Cherenkov radiation

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)

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）

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。

ニュートリノ振動とは？ニュートリノ振動とは？

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)

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

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

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。

大気・加速器ニュートリノ大気・加速器ニュートリノ

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。

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

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

))

• 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

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。

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

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

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

陽子崩壊探索陽子崩壊探索

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）

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。

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

超新星ニュートリノ

超新星SN1987a

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。

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。

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

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

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

超新星背景ニュートリノ

宇宙の進化

Figure from S.Ando

現在

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)

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

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

comparison of data and MC in pcomparison of data and MC in p ee++ππ00 searchsearch

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。masato@icrr.umasato@icrr.u--tokyo.ac.jptokyo.ac.jp

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

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）

?