νμLong-baseline Neutrino Oscillation Experiment東海 神岡間長基線ニュートリノ振動実験

Tokai to Kamioka

Super-Kamiokande (ICRR, Univ. Tokyo)

νeNeutrino

295km

νμNeutrino Experimental
Facility at J-PARC(KEK-JAEA, Tokai)

νe295km

Anti-neutrino©2013 Google™

T2K実験国際共同研究グループ

t2k-experiment.org
高エネルギー加速器研究機構

www.kek.jp
2020年12月

νμe
反電子型ニュートリノ出現事象候補の例（2016年4月）。

3世代あるニュートリノの質量と混合の全容を解明し、物T2Kニュートリノ振動実験は

νμνe
ντ

T2Kニュートリノ振動実験が発見を目指す3世代間のニュートリノ振動現象の模式図。

btτ ντscμ νμdue

茨城県東海村に建設された大強度陽子加速器施設のメイン
リングシンクロトロンとニュートリノ実験施設によって大強度ニュートリノビームを作り、295km離れた岐阜県飛騨市神岡町の地下1000メートルに位置する東京大学宇宙線研究所の5万トン水チェレンコフ検出器、スーパーカミオカンデに打ち込み、ニュートリノの謎を解明する実験です。
T2Kニュートリノ振動実験によって、私達はνe●スーパーカミオカンデにより発見され、K2K実験によって検証されたν
μ→ν
τ振動と相補的なν
μ→νe 振動 を新たに発見すること自然界をかたちづくっているクオークとレプトンの種類には共に３世代があります。

●その結果、ニュートリノ振動が3世代の間の振動現象であることを明らかにすること●さらには、レプトンの世界における CP対称性（物質と反物質の対称性）の破れの探索にむけた指標を与えること

ニュートリノ研究の歴史●1930

ニュートリノの存在を予言（W.パウリ）●1956

反電子ニュートリノを発見（F.ライネス、C.コーワン）●1962

ミューニュートリノを発見（L.レーダマンら）●1962

ニュートリノ振動理論を提唱（牧二郎・中川昌美・坂田昌一）●1987

超新星爆発により発生したニュートリノを世界で初めて観測（小柴昌俊らカミオカンデ実験）●1991

軽いニュートリノが3世代しか存在しないことを証明（LEP実験）●1998

大気ニュートリノの観測からニュートリノ振動を発見（戸塚洋二・梶田隆章
らスーパーカミオカンデ実験）●1999

世界初の長基線ニュートリノ振動実験K2Kにおいて人工ニュートリノ信号の観測に成功●2000

タウニュートリノの存在を確認（丹羽公雄らDONUT実験）●2001

太陽ニュートリノ観測でもニュートリノ振動の存在を証明（スーパーカミオカンデ実験およびカナダSNO実験）●2002

原子炉からの反電子ニュートリノ振動を観測（カムランド実験）●2002

小柴昌俊、R.デービスJrらとともにノーベル物理学賞を受賞を目指します。この研究により人工ニュートリノビームでニュートリノ振動の存在を確立（K2K実験）●2013「電子ニュートリノ出現」の発見（T2K実験）●2015

梶田隆章とA.マクドナルドがノーベル物理学賞を受賞●2015

西川公一郎らK2K・T2K実験グループがブレークスルー賞を受賞●2016

ニュートリノの「CP対称性の破れ」の兆候を捉える（T2K実験）

θ

事象数

●2004

ニュートリノとは?
電気的に中性で、最も軽いクォークや電子の100万分の1以下の重さしかもたない素粒子です。
、ミューニュートリノ
ニュートリノには電子ニュートリノ（νe ）（ν）、タウニュートリノ（）の3種類（世代）あることが知られてνμτ

ニュートリノ振動とは?
3世代あるニュートリノが飛んでいるうちに互いに入れ換わることをいいます。例えば加速器で100%純粋なミューニュートリノを作っても、距離と共にある割合でタウニュートリノに変化してしまいます。更に進むと、また元のミューニュートリノにもどります。
これを繰り返すので、「ニュートリノ振動」といいます。
これはニュートリノが重さをもち、世代間の混合がある場合に限り起きる現象です。今のところ、ニュートリノ振動は極めて微小なニュートリノの重さと、世代間の混合を調べる唯一の方法です。

Multi-GeV μ -like + PC

400

スーパーカミオカンデによるニュートリノ振動の発見

200

データ
ニュートリノ振動あり
ニュートリノ振動なし

0-1などの根元的な問題に迫ることができます。

います。またそれぞれの反ニュートリノがあります。
太陽から放射されるニュートリノが、毎秒数百兆個も私達の体を通り抜けています。しかし全く害はありません。

SK-I+II+III, 2806 Days
600

○3世代あるニュートリノの質量と混合の全貌の解明○我々の宇宙にはなぜ反物質が存在しないのか

0cos θ1

スーパーカミオカンデで観測された宇宙線と大気が反応して生まれた大気ニュートリノの天頂角分布。地球の裏側からくるミューニュートリノは予想より少い。

1998年6月にスーパーカミオカンデ研究グループによって発表された大気ニュートリノの天頂角分布は、地球の裏側から飛んでくるミューニュートリノが上空からくるものに対して減少していることを示していました。これは、ミューニュートリノがニュートリノ振動によって観測できないタウニュートリノに変化したためで、ニュートリノに微小な重さがあることを世界で初めて実験的に証明しました。

質宇宙創生の謎に迫るT2K長基線ニュートリノ振動実験
加速器によるニュートリノビーム生成
加速した陽子ビームを標的となる原子核に当てると、たくさんのパイ中間子が作り出されます。パイ中間子は非常に不安定な粒子で、数十メートル飛んでいるうちに壊れてミュー粒子とミューニュートリノに変わります。こうして出てきたミューニュートリノをビームとして使います。加速器によって作り出したニュートリノビームは、ほぼ純粋なミューニュートリノのビームとなります。

ミューニュートリノ
パイ中間子

陽子

加速器によるニュートリノビーム生成の模式図

加速器をもちいたニュートリノ振動研究

T2K実験によるνμ→νe 振動の発見

ミューニュートリノが電子ニュートリノに変わる確率は、タウニュートリノに変わる確率に比べて非常に小さく、νμ→νe 振動
はT2K実験以前のニュートリノ振動実験では観測されませんでした。そこでT2K実験では、大強度のニュートリノビームを作り出すJ-PARCニュートリノビームラインを新たに建設し、2010年より本格的に実験を開始しました。
T2K実験グループは、2013年7月、ミューニュートリノが飛行中に電子ニュートリノに変化する「電子ニュートリノ出現」が存在することを示す決定的な測定結果が得られたことを発表しました。
未発見であった最後の振動パターンが見つかったことで、ニュートリノ振動が3世代の間の振動現象であることが示されました。これにより、ニュートリノ振動の研究は、新たな段階に入りました。

ニュートリノの「CP対称性の破れ」
ニュートリノにおいて「CP対称性の破れ」が起きている場合、ニュートリノと反ニュートリノではニュートリノ振動の起きる確率に違いが生じます。特にνμ→νe 振動においては大きな違いが表れると考えられています。そのため、νμ→νe 振動の発見により、ニュートリノの「CP対称性の破れ」の探索が可能となり、T2K実験はその解明にむけて研究を続けています。

T2K実験を行う国際共同研究グループには、国内外の約500人の研究者が参画するなど、ニュートリノ研究を進める世界的拠点となっています。

J-PARCで生成したニュートリノビーム

スーパーカミオカンデに到達したニュートリノ

ほぼ純粋なミュー
ニュートリノビーム

大部分はタウニュートリノに変わる。
ごく一部が電子ニュートリノに変わる。

一部が電子型に変化することを発見（2013年までにT2K実験が捉えた新しいニュートリノ振動）
T2K実験が直接検出したミュー型から電子型へのニュートリノ振動｢電子ニュートリノ出現｣の模式図

Number of νe candidate events

生成した時点ではほぼ純粋なミューニュートリノのビームですが、距離とともにある割合で別の種類のニュートリノに変わるため、遠方の検出器ではその分ミューニュートリノとして観測される割合が減ってしまいます。この「ミューニュートリノの減り方」を調べることで、ニュートリノ振動を検証することができます。また、変わった別の種類のニュートリノを直接検出することによっても、ニュートリノ振動の検証が可能となります。ニュートリノの変わる割合はニュートリノの持つエネルギーによって違いがあるため、ニュートリノ振動研究では観測されたニュートリノ事象のエネルギー分布を調べることが重要になります。
T2K実験では、J-PARCで作り出した純粋なミューニュートリノビームをスーパーカミオカンデに打ち込み、電子ニュートリノとして観測される事象を探し出すことにより、ν
μ→νe 振動の発見を目的としました。

ミュー粒子原子核

10T2K RUN1-4 dataBest fit νe signal
Background component

5005001000

Reconstructed neutrino energy (MeV)

観測された28個の電子生成事象のニュートリノエネルギー分布。
データ（黒点）は、予想される背景事象（緑）に電子型ニュートリノ出現現象（赤）を加えると非常によく再現されることがわかります。

解析の結果、背景事象のみの統計的な揺らぎによって偶然に起こる確率は1兆分の1以下しかないことが明らかとなりました。

J-PARCで生成したニュートリノビーム

スーパーカミオカンデに到達したニュートリノ

ほぼ純粋なミューニュートリノビーム

大部分はタウニュートリノに変わる。
ごく一部が電子ニュートリノに変わる。

ほぼ純粋な反ミューニュートリノビーム大部分は反タウニュートリノに変わる。
ごく一部が反電子ニュートリノに変わる。

電子ニュートリノ出現事象を用いた「CP対称性の破れ」の探索。
νμ →νe振動をニュートリノと反ニュートリノの場合で比べることにより、「CP対称性の破れ」の検証を行います。

日本列島をまたいで配置されるT2K長基線ニュート
T2K実験では、J-PARCニュートリノ実験施設で発生させた世界最高強度のニュートリノビームをスーパーカミオカンデの方向に発射します。ニュートリノは鉄もコンクリートも岩盤もあってなきが如くに通りぬけ、約1ミリ秒後に295kmはなれた神岡町に到達し、その中のごく一部がスーパーカミオカンデで観測されます。
ニュートリノビームはJ-PARC内の前置検出器を用いても観測されているので、スーパーカミオカンデの観測結果と比較することで、ニュートリノが飛行中に別の種類に変わる「ニュートリノ振動」の研究が可能となります。

295km©GoogleTM

Super-KAMIOKANDE

J-PARC
前置ニュートリノ検出器

野口五郎岳
2,924m
池ノ山
1,360m

海抜0m

ニュートリノ1°

1,700m（調整可能）
θ= 2°〜 2.5°

ニュートリノビームの中心
日本海へ。

Super-KAMIOKANDE
スーパーカミオカンデは、岐阜県飛騨市、神岡鉱山の地下1000m にある東京大学宇宙線研究所の巨大なニュートリノ観測装置です。1996年4月から観測を開始し、宇宙から飛来するニュートリノの観測を続けています。装置
は直径39.3m、高さ41.4mの水槽に5万トンの純水をたくわえ、11129本の高感度光検出器（光電子増倍管)を装着、水中でニュートリノが稀に反応する際に発生する微弱なチェレンコフ光を検出することによりニュートリノの種類、飛来方向とエネルギーを決定できます。

スーパーカミオカンデで使用されている光電子増倍管。世界最大、直径約50cm。

T2K実験で世界に先がけて観測された電子ニュートリノ出現事象の候補（2010年5月)
提供:東京大学宇宙線研究所
神岡宇宙素粒子研究施設

トリノ振動実験の実験装置群
大強度陽子加速器施設 J-PARC
ハドロン実験施設

Flux • σ (arbitrary unit)θ =0˚

物質・生命科学実験施設（MLF）

2˚

メインリング
円周 1,568m

2.5˚

∆m2atm = 2.0~3.0x10-3eV23˚

0123

ニュートリノビーム

Eν (GeV)
3 GeV RCS

オンアクシスビーム（θ=0°）と比較したオフアクシスビーム（θ=2°〜3°）のエネルギー分布

J-PARCで生成されるニュートリノビームは広がりを持っています。 ビームの中心軸をスーパーカミオカンデの方向より僅かに下に向けることで、神岡に到達するニュートリノのエネルギーをより低く、分布の幅をより狭くすることができます。J-PARCニュートリノ実験施設は、世界に先駆けてオフアクシスビームを生成利用する施設として設計開発されました。

前置ニュートリノ
検出器

円周 348m

リニアック
330m

J-PARC（Japan Proton Accelerator Research Complex）とは、平成13年より高エネルギー加速器研究機構と日本原子力研究開発機構が共同で茨城県東海村に建設した陽子加速器施設と利用施設群の総称です。
J-PARCでは、陽子をリニアックで加速後、3GeVシンクロトロン（RCS）を経てメインリング（MR）に送り込みます。陽子をキッカーとよばれる電磁石により内向きに蹴りだし神岡の方向に向けた後、標的に衝突させニュートリノビームを生成、スーパーカミオカンデに向けて発射します。

前置ニュートリノ検出器
前置検出器は、標的の下流280mの位置にある、深さ33.5m、直径17.5mの実験ホール（ニュートリノモニター棟）内に設置されています。
前置検出器は、ビーム中心におかれている「オンアクシス検出器
INGRID」と、神岡の方向におかれている「オフアクシス検出器」の独立した2つの検出器から構成されています。
前者はニュートリノビーム中心の安定性をモニターし、後者はニュートリノビームのエネルギー分布やビーム中の電子ニュートリノ成分の測定を行います。
オフアクシス検出器を取り囲む電磁石はCERNの陽子-反陽子衝突型加速器でのUA1実験のために1979年に製作され、1983年にWボソン粒子とZボソン粒子の発見に貢献したものです。

オフアクシス検出器

UA1
電磁石(0.2T)

オンアクシス検出器(INGRID)
オンアクシス検出器

オフアクシス検出器

世界最高強度のニュートリノビーム生成を実現する
J-PARCのメインリングからキッカーと呼ばれる電磁石を用いて蹴り出された陽子ビームは、多数の常伝導電磁石や超伝導電磁石、ビームモニターを軌道上に配列した一次ビームラインを通って西向きに曲げられ、ターゲットステーション内のグラファイト製標的に衝突します。陽子ビームが標的に衝突すると、多数のパイ中間子が生成されます。
このパイ中間子を電磁ホーンと呼ばれる特殊な電磁石によって前方に収束させた後、ディケイボリュームと呼ばれる長さ100mのトンネルに入射し、飛行中にニュートリノとミュー粒子の対に崩壊させます。ニュートリノと一部のミュー粒子以外の粒子は全てビームダンプで吸収されてしまい、実験施設の外には出て行きません。

標的

電磁ホーン(第一ホーン)

マニピュレータで第一ホーン内管の中心に挿入されているのがパイ中間子を作り出す標的です。標的はグラファイト製で、グラファイト（中）とチタン合金（外）の2重の鞘に覆われています。その隙間にヘリウムガスを流して、発生する熱を冷却する構造です。運転時、中心部の温度は、約700℃にもなります。

電磁ホーンはアルミ二ウムの管が二重になった装置で、32万アンペアのパルス電流により2テスラの磁場を内外管の間に発生させ、パイ中間子を前方に収束させます。T2K実験では3台の電磁ホーンが使われます。

ミューオンモニター棟
ニュートリノモニター棟（NM）

To Super-Kamiokande②複合磁場超伝導電磁石(SCFM)⑥ビームダンプのインストール⑤ディケイボリューム

ビームライン最下流部には、グラファイトブロックを用いたビームダンプが設置され、標的で反応しなかった陽子等を吸収し、発生する熱や放射線を遮断します。

約6mの厚さのコンクリートで覆われたトンネルの内部には、2次粒子により発生する熱を冷却するための水冷配管が敷き詰められています。

メインリングから射出された陽子ビームを神岡の方向に曲げるアーク部には、超伝導電磁石システムが使われます。長さ3.3m、二極磁場最大2.6テスラ、四極磁場勾配最大18.6テスラ/mの二極／四極複合磁場超伝導電磁石(SCFM)28台から構成されます。これらの磁石を超伝導状態にするために、絶対温度4.5度で2キロワットの冷凍能力を持つヘリウム冷凍機が設置されます。

J-PARCニュートリノ実験施設⑦ミューオンモニター④ターゲットステーション(TS)ミューオンモニターは、ニュートリノとともに生成されたミュー粒子を測定することにより、間接的にニュートリノビー
ムの方向およびその安定性を監視するための測定器です。

ターゲットステーションの内部には、ディケイボ
リュームと一体の、体積1500m3の巨大なヘリウム容器が建設されています。3台の電磁ホーン、ホーンを保護するバッフルなどがその中に設置されています。これらは放射線を遮蔽する鉄やコンクリートによって、厳重に覆われています。

OTR

ESM

SSEM

CT

ビームモニター
一次ビームラインには、ビームの強度・位置・形状をモニターする多数のビームモニター装置（CT・ESM・SSEM・が設置され、メインリングから取り出される陽子ビーBLM）
ムを漏れなく標的まで送り込みます。また、標的の直前にもビーム形状をモニターするOTRが設置されています。

メイ
ンリ
ング
4576

陽子
パイ中間子
ミュー粒子
ニュートリノターゲットステーション（TS）

第三設備棟（NU3）

BLM

Neutrino Facility
at J-PARC

32110m280m

第二設備棟（NU2） 搬入棟（NC）

第一設備棟（NU1）①分岐部

1
SCFM内磁場強度分布③最終収束部
一次ビームライン常電導電磁石
メインリングとの分岐部と最終収束部には常電導電磁石システムが使われます。

ニュートリノの「CP対称性の破れ」解明への挑戦
T2K実験グループは、「ニュートリノと反ニュートリノの振る舞いの違い（＝ CP対称性の破れ）」の検証を行う
ため、2014年から反ニュートリノビームを用いた実験を開始しました。2018年までに取得したデータによって、CP対称性の破れの大きさを決める量である「CP位相角」に大幅な制限を与えることに世界で初めて成功しました。
また、得られた結果はCP対称性の破れを95%の信頼度で示唆しています。ニュートリノの未解明の性質の一つである、粒子と反粒子が異なる振る舞いをするかどうかという問題に大きく迫る成果です。

J-PARCで生成した
ニュートリノビーム

スーパーカミオカンデに到達したニュートリノ大部分はタウニュートリノに変わる。
ごく一部が電子ニュートリノに変わる。

ほぼ純粋なミューニュートリノビーム大部分は反タウニュートリノに変わる。
ごく一部が反電子ニュートリノに変わる。

ほぼ純粋な反ミューニュートリノビーム

CP位相角（-180度から180度の間の値を取り得る）

CP対称性が保存する

0度

CP対称性が破れて、電子ニュートリノの観測数が増える

2σ以上
で排除

CP対称性が破れて、反電子ニュートリノの観測数が増える

1σ以上
で排除
3σ（99.7%）
以上の信頼度で排除

‒90度
‒108度

（粒子と反粒子の性質に違いがない）

+90度

最適値
1σ以上 2σ以上で排除 で排除

180度

CP対称性が保存する（粒子と反粒子の性質に違いがない）

予測される数検出された数ニュートリノ6890

反ニュートリノ

1915

実験データ

（CP対称性の破れがない場合）（注）「CP対称性の破れ」がない場合の予想数が異なるのは、電子ニュートリノと反電子ニュートリノが同じ数通過しても、スーパーカミオカンデ内で反応を起こす反応確率に差があるため。

CP 対称性が破れていると、ニュートリノ振動現象のミュー型から電子型への変化確率に、ニュートリノと反ニュートリノで違いが生じます。破れの大きさを決める量は CP 位相角と呼ばれ、‒180 度から 180 度の値を取り得ます。今回の実験データで検出された数と予測された数を比較して CP 位相角を測定した結果、世界で初めて CP 位相角に統計的信頼度 99.7%（3σ）で強い制限がつけられました（左図）。さらに測定を続けることでCP 位相角の取り得る範囲から 0 度と 180 度を 99.7%の統計的信頼度で排除できると、CP 対称性の破れを99.7% の信頼度で示すことができます。

「CP対称性の破れ」の発見を目指す将来計画
T2K実験グループは、前置検出器を改良して測定精度反応をより精細にとらえる新型3次元飛跡検出器を高めるとともに、さらにデータを蓄積することで、CP大角度方向にでてきた粒子をとらえるガス検出器対称性の破れの検証を進めていきます。J-PARCでは、より大強度のニュートリノを生成するために、加速器およびに次世代の実験として、スーパーカミオカンデの約10倍の有効体積を持つハイパーカミオカンデ実験が計画されています。ハイパーカミオカンデ実験では、増強されたJ-PARC ニュートリノビームを測定することにより、CPニュートリノビームニュートリノ実験施設の性能向上に着手しています。さら対称性の破れの決定的証拠を捉えるとともに CP位相角の精密な測定が可能となります。これらの研究によって、素粒子の性質や、宇宙から反物質が消えた謎の理解が進むと期待されます。

改良される前置ニュートリノ検出器（オフアクシス検出器）。上流側を新たな測定器に置き換えてニュートリノの反応を精密に測定することで、より高精度な実験を実現します。