ニュートリノの研究梶田 隆章

東大宇宙線研究所宇宙ニュートリノ観測情報融合センター（＠柏）kajita@icrr.u-tokyo.ac.jp, http//www-rccn.icrr.u-tokyo.ac.jp/kajita/index.html

現代物理入門本郷、２００５．７．４

• イントロ• ニュートリノ振動の現状• 物理の背景• 今後のニュートリノ（振動）研究• まとめ

内容内容

イントロイントロ

The Particle World

5. Why are there so many kinds of particles?

6. What is dark matter?

How can we make it in the laboratory?

7. What are neutrinos telling us?

The Birth of the Universe

8. How did the Universe come to be?

9. What happened to the antimatter?

Einstein’s dream or Unified Forces

1. Are there undiscovered new symmetries, new physical laws ?

2. How can we solve the mystery of Dark Energy ?

3. Are there extra dimension of space?

4. Do all the forces become one ?

Quantum Universe Quantum Universe で取り上げられた９個の重要で取り上げられた９個の重要問題問題

２００４年アメリカ物理学会２００４年アメリカ物理学会 Study of the Study of the Future of Neutrino Physics Future of Neutrino Physics 報告報告

ニュートリノの質量とニュートリノ振動ニュートリノの質量とニュートリノ振動

ミューニュートリノ(νμ)やタウニュートリノ(ντ)は固有の質量を持っているわけではなく、固有の質量を持った状態をν2, ν3とすると、 νμはν2とν3を重ね合わせたものとしてあらわせる。

この場合、νμが真空中を飛ぶとは、ν2とν3の重ね合わさった状態が飛ぶということになる。

また、素粒子は粒子であると同時に波（物質波）である。

（牧、中川、坂田,1962)

“量子的うなり”

ところで、ν2とν3はほぼ光速で飛んでいるが、質量が違うので、飛ぶ時の物質波の周波数はわずかに違う。

ニュートリノ振動ニュートリノ振動

最初はミューニュートリノだったものが時間と共にミューニュートリノが減ったり増えたりする。

ニュートリノ振動 （消えた分はタウニュートリノに）

２世代ニュートリノ振動確率２世代ニュートリノ振動確率

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ⋅−=→

ν

νμμ θνν E

LmP2

223

2 27.1sin2sin1)(

ここで

P(νμ νμ) : νμ がνμ のまま残る確率

θ23 : ２３世代ニュートリノ間の混合角

Δm2 : ２種のニュートリノの質量の２乗の差 (mν32-mν22)

Lν, Eν : ニュートリノの飛行距離（ｋｍ）とエネルギー（ＧｅＶ）

)(1)( μμτμ νννν →−=→ PP

さらに、

（今のところ、多くの場合２世代の式でＯＫ）

ニュートリノ振動研究の現状ニュートリノ振動研究の現状

どんなニュートリノを調べる？どんなニュートリノを調べる？

大気

地球の反対側でも同じことがおこっているので、下からもニュートリノが来る。

（加速器でニュートリノをつくるのと原理は同じ）

大気ニュートリノフラックスの特徴大気ニュートリノフラックスの特徴天頂角

2

3

4

5

6

789

10

10-1

1 10 102

Eν (GeV)

Flu

x ra

tio

Honda flux

Bartol flux

Fluka flux

νμ+ν–

μ/νe+ν–

e

0

100

200

300

400

500

600

700

-1 0 1

0.3-0.5 GeV

νμ+ν–

μ

νe+ν–

e

Inte

grat

ed n

eutri

no fl

ux (m

-2se

c-1 s

r-1)

0

25

50

75

100

125

150

175

200

-1 0 1

0.9-1.5 GeV

νμ+ν–

μ

νe+ν–

e

cosΘ

0

5

10

15

20

25

30

-1 0 1

3.0-5.0 GeV

νμ+ν–

μ

νe+ν–

e

(νμ+ νμ)/(νe+ νe)

Cosmic Ray

π, K

νμe

νμ νe

μ

cosθzenithUp-going Down

15km above ground

Up-down asymmetry at low

energy: geomagnetic field

ニュートリノ相互作用ニュートリノ相互作用

Eν(GeV)

νσ E/Quasi-elastic

1π productionDeep inelastic

CC total

ν lepton

N N’

Quasi-elasticν lepton

N N*

π

N’

1π production

ν lepton

N N’

ππ

Deep inelastic

スーパーカミオカンデスーパーカミオカンデ(50,000(50,000トン水チェレンコフニュートリノ検出器）トン水チェレンコフニュートリノ検出器）

４２ｍ

３９ｍ

入り口

エレクトロニクス室

純水装置

1km

光電子増倍管11,000本

カミオカンデ

1.8km

入り口

チェレンコフ光の検出によるニュートリノ相互作用の測定チェレンコフ光の検出によるニュートリノ相互作用の測定

ν

electronPhotomultiplier tube (PMT)

50cm φ(Super-K)

βθ

n1cos =

n (refractive index)=1.34 in water

θ=42deg. for β=1

Time: vertex position

direction

Pulse height (number of pe’s): energy

スーパーカミオカンデ内部スーパーカミオカンデ内部

１９９６年１月撮影

スーパーカミオカンデで観測された大気ニュートリノ相互作スーパーカミオカンデで観測された大気ニュートリノ相互作用事象の例用事象の例

FC (fully contained)

ν

Time(ns) < 958 958- 963 963- 968 968- 973 973- 978 978- 983 983- 988 988- 993 993- 998 998-10031003-10081008-10131013-10181018-10231023-1028 >1028

Super-KamiokandeRun 3013 Event 14900496-10-24:19:39:51

Inner: 1763 hits, 4003 pE

Outer: 3 hits, 5 pE (in-time)

Trigger ID: 0x03

D wall: 897.4 cm

FC e-like, p = 463.8 MeV/c

00 500 1000 1500 2000

0

110

220

330

440

550

Times (ns)

amiokandevent 4753607:30

hits, 7763 pE

, 4 pE (in-time)

x03

cm

= 1088.0 MeV/c

00 500 1000 1500 2000

0

118

236

354

472

590

Times (ns)

Single Cherenkov ring electron-like event

Single Cherenkovring muon-like event

Color: timing

Size: pulse height

Outer detector (no signal)

天頂角分布天頂角分布1489day FC+PC data + 1646day upward going muon data

050

100150200250300350400450

-1 -0.5 0 0.5 1cosΘ

Num

ber

of E

vent

s

Sub-GeV e-like

0

100

200

300

400

500

-1 -0.5 0 0.5 1cosΘ

Num

ber

of E

vent

s

Sub-GeV μ-like

0

20

40

60

80

100

120

140

-1 -0.5 0 0.5 1cosΘ

Num

ber

of E

vent

s

Multi-GeV e-like

0

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

05

101520253035404550

-1 -0.5 0 0.5 1cosΘ

Num

ber

of E

vent

s

Sub-GeV Multi-ring

0

20

40

60

80

100

120

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0cosΘ

Num

ber

of E

vent

s

Upward Stopping μ

0

20

40

60

80

100

-1 -0.5 0 0.5 1cosΘ

Num

ber

of E

vent

s

Multi-GeV Multi-ring

0

50

100

150

200

250

300

350

400

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0cosΘ

Num

ber

of E

vent

s

Upward Through Going μ

Up-going down-going

No osc.

Osc.

1-ring e-like 1-ring μ-like multi-ring μ-like up-going μ

stopping

Through going

< 1.3GeV

> 1.3GeV

データの解釈データの解釈（ニュートリノの質量の発見）（ニュートリノの質量の発見）

ニュートリノは質量をもち、地球の反対側から来るミューニュートリノは長い距離を飛んでいる間に半分別なニュートリノ（タウニュートリノ）になって観測されていない。

（１９９８年）

νμ

νμ

νμ

νμ

ντ

ντ

ντ

ννμμ ννττ振動パラメータの領域振動パラメータの領域

10-3

10-2Δ

m2 (

eV

2)

0-4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1sin22θ

-1

現在のＫ２Ｋ長基線ニュートリノ実験の結果

スーパーカミオカンデの大気ニュートリノの結果ニ

ュートリノの

質量

の２乗

の差

混合角23

寄り道：太陽寄り道：太陽ニュートリノ問題のニュートリノ問題の解決と解決とニュートリノ振動ニュートリノ振動

1000 トンの重水

ＳＮＯ（カナダ）

スーパーカミオカンデ

＋

太陽ニュートリノの謎＝電子ニュートリノがニュートリノ振動で他のニュートリノになっている。

(2001 - 4年)

＋

1,000トンの液体シンチレーター

カムランド

物理の背景物理の背景 ー超対称性を取り入れた大統一理論ーー超対称性を取り入れた大統一理論ー

強い力

電磁力

＋

弱い力

現在までの加

速器（LE

P

，

TEVA

TRON

）

次世代の加速器

(LHC)

大統一？

力の

強さ

の逆

数

エネルギースケール

陽子崩壊の予言

ニュートリノと他の素粒子の質量ニュートリノと他の素粒子の質量

N

q

mm

m2

=ν

Seesaw mechanism (Yanagida、& Gelmann Ramond, Slansky, 1979)

Small neutrino mass implies the existence of super-heavy neutral

particles

mν3=0.05eV, mtop=175GeV,

mN = O(1015GeV)

大統一理論に関係?

10-5

1

10 5

10 10

10 13

1 2 3

t

c

u

bs

d

τμ

e

?

??

?

???

ντνμνe

Generation of particles

Mass (

eV

/c2)

3ν2ν1ν

物理の背景（２）物理の背景（２）大統一理論：

素粒子の力の統一, クォークとレプトンの統一

クオークとレプトンの混合の類似性？クオークとレプトンの混合の類似性？

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⋅=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

bsd

Vbsd

CKM

'''

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛⋅=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

3

2

1

ννν

ννν

τ

μ MNSP

e

U

?MNSPCKM UV ≈（混合行列は３個の角度（と１個のＣＰ位相）で表せるのでそれを比べる）

θ12=13o

θ23=2.4o

θ13=0.21o

θ12=13o

θ23=2.4o

θ13=0.21o

θ12=33±3o

θ23=45±8o

Θ13

今後のニュートリノ振動実験今後のニュートリノ振動実験今後のニュートリノ振動実験

近未来のニュートリノ振動実験近未来のニュートリノ振動実験近未来のニュートリノ振動実験

アメリカ：

２００５年

アメリカ：

２００５年

ヨーロッパ：

２００６年

ヨーロッパ：

２００６年

日本：

（１９９９年）

２００９年

日本：

（１９９９年）

２００９年

Δm2を今までの実験より数倍精度良く決定

νμが振動してできたντを測定（５年で約１０事象観測予定）

Super-Kamiokande

250kmJ-PARC

東海村と神岡間のニュートリノ振動実験東海村と神岡間のニュートリノ振動実験（次期Ｔ２Ｋ実験（次期Ｔ２Ｋ実験 ２００９年春～）２００９年春～）

今までの実験の１００倍のニュートリノ強度今までの実験の１００倍のニュートリノ強度

大強度陽子加速器大強度陽子加速器（ＪＰＡＲＣ）（ＪＰＡＲＣ） 茨城県東海村

JJ--PARC PARC 加速器建設風景加速器建設風景

具体的な実験の方法具体的な実験の方法p π ν

140m0m 280m 2 km 295 km

ニュートリノ振動する前のニュートリノを測定（特に電子ニュートリノ）

μ ν

スーパーカミオカンデ

ニュートリノ振動後のニュートリノ反応（約１０,０００例）を調べる。

測定器想像図

π+ μ++νμ

予想感度（１）予想感度（１）（（ννμμ ννττ振動振動, , θθ2323の測定の測定））

ニュートリノ振動なし

Eν (GeV)

Quasi Elastic 以外

Δm2= 2.5 x10-3 eV2

Quasi Elastic(νμ+n μ-+p)

Eν (GeV)へこみに位置 Δm2

へこみの深さ sin22θ23

へこみに位置 Δm2

へこみの深さ sin22θ23

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ⋅−=→

ν

νμμ θνν E

LmP2

223

2 27.1sin2sin1)(

予想感度（１）予想感度（１）（（ννμμ ννττ振動振動, , θθ2323の測定の測定））

10-3

10-2Δ

m2 (

eV

2)

0-4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1sin22θ

-1

現在のＫ２Ｋ長基線ニュートリノ実験の結果

スーパーカミオカンデの大気ニュートリノの結果ニ

ュートリノの

質量

の２乗

の差

混合角

次期Ｔ２Ｋ実験での予想感度

23

予想感度（２）予想感度（２）（（ννμμ ννee振動振動, , θθ1313の発見の発見））もし未発見の第３の混合角θ13があれば（どのくらいの大きさかは別として） νμからνeへのニュートリノ振動として観測されるはず。 これを探す。（今までの実験の２０倍の感度）もし未発見の第３の混合角θ13があれば（どのくらいの大きさかは別として） νμからνeへのニュートリノ振動として観測されるはず。 これを探す。（今までの実験の２０倍の感度）

ニュートリノのエネルギー(GeV)

電子ニュートリノ事象の数

0 1

50

0

60

40

30

20

10

バックグラウンド

で振動がおこる前に測定

予想されるνμ νe振動の信号

（信号の高さから混合角θ13を決定)

予想されるνμ νe振動の信号

（信号の高さから混合角θ13を決定)

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ⋅⋅=→

ELmP e

2232

132

232 27.1sin2sinsin)( θθνν μ

その先の研究：その先の研究：なぜ宇宙は物質でできていて反物質はないのか？なぜ宇宙は物質でできていて反物質はないのか？

＋ ＝

Big Bang 直後

10,000,000,001

の陽子

10,000,000,000

の反陽子

１個

の陽子

今

なぜ、宇宙の始まりの時に物質が反物質よりほんの少し多かったを理解する鍵がニュートリノのＣＰ非保存に！ （より正確にはシーソーで予言される非常に重い中性粒子のＣＰ非保存な崩壊に） Fukugita, Yanagita 1986

ニュートリノ振動確率とＣＰ非保存ニュートリノ振動確率とＣＰ非保存いろいろ測定の方法はあるが、νμ νeと反ニュートリノの振動で調べる

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ⋅⋅=→

ELmP e

2232

132

232 27.1sin2sinsin)( θθνν μ

最も荒い近似

もう少し精度よい近似

ニュートリノと反ニュートリノの振動確率ニュートリノと反ニュートリノの振動確率

約１００万（今のＫ２Ｋ実験の１万倍！）のニュートリノ反応と反ニュートリノ反応を調べて宇宙の物質と反物質の非対称性の原因となっている自然法則の研究をする。

約１００万（今のＫ２Ｋ実験の１万倍！）のニュートリノ反応と反ニュートリノ反応を調べて宇宙の物質と反物質の非対称性の原因となっている自然法則の研究をする。

予想される（反）ミューニュー

トリノ振動から（反）電子

ニュートリノへの振動確率

E (GeV)

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

0.008

0.009

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

νμからνeへの振動確率

νμからνeへの振動確率

この違いが宇宙の物質反物質の量の違いに関

係

この違いが宇宙の物質反物質の量の違いに関

係

ニュートリノのＣＰ非保存を測定するための装置：ニュートリノのＣＰ非保存を測定するための装置：１００万１００万トンニュートリノ検出器トンニュートリノ検出器

ハイパーカミオカンデハイパーカミオカンデ

スーパーカミオカンデ

カミオカンデ

48ｍ250ｍ

58m

さらに：

陽子崩壊、超新星ニュートリノ、大気ニュートリノによるニュートリノ振動研究、 などなど

まとめまとめ

• ニュートリノ物理は質量発見の時代から、ニュートリノの質量と混合を通して、新たな物理を探る時代へ。

• また、ニュートリノのＣＰ非保存は宇宙のバリオン数にも関連している可能性。

• 日本は、今後もこの分野で世界の先端を走ると思われる。

もし、質問等あれば下記まで：梶田 隆章

東大宇宙線研究所宇宙ニュートリノ観測情報融合センター（＠柏）kajita@icrr.u-tokyo.ac.jp, http//www-rccn.icrr.u-tokyo.ac.jp/kajita/index.html

End