Curriculum Vitae

Prof. Dr. Akitaka Ariga

PERSONAL INFORMATION
Date and place of birth: 2 October 1979, Gifu, Japan
Nationality: Japanese, Civil status: Married, one child
Language: Japanese (mother tongue), English (ﬂuent), German (basic)
Professional address: Faculty of Science Build. 1-316, Chiba University,
Yayoicho 1-33, Inage-ku, Chiba-shi, Chiba, 263-8522 Japan
Phone, e-mail: +81 (0) 43 290 2736, akitaka.ariga@lhep.unibe.ch
ORCID ID: 0000-0002-6832-2466, KAKENHI ID: 20377922
EDUCATION
2018 May
Habilitation in experimental physics, University of Bern.
2008 May
PhD in Physics, Graduate School of Science, Nagoya University, Japan.
2004 March
Master degree in Physics, Graduate School of Science, Nagoya University.
2002 March
Bachelor degree, Department of Physics, School of Science, Nagoya University.
EMPLOYMENT HISTORY
2021 Jan - now
Associate Professor at the Graduate School of Science, Chiba University,Japan
2017 July - 2020 Dec Wissenschaftlicher Mitarbeiter at the Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC), Laboratory for High Energy Physics (LHEP), Universityof Bern.
2011 July - 2017 June Oberassistent at AEC-LHEP, University of Bern, Switzerland
2008 July - 2011 June Postdoc (SNSF) at AEC-LHEP, University of Bern, Switzerland
2006 April - 2008 Mar Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Research Fellow at
Graduate School of Science, Nagoya University, Japan
MANAGEMENT AND SCIENTIFIC RESPONSIBILITIES2020 - now
Co-project leader of FASERν in the FASER international collaboration.
2018 - now
Spokesperson of the NA65/DsTau international collaboration.
2015 - 2020 Technical coordinator of the muon radiography of glaciers in Switzerland.
2014 - 2015 Co-PI of the interdisciplinary project in immunology.
2011 - 2020 Representative of the Swiss group in the OPERA international collaboration.
2010 - 2014 Convener of the electron analysis working group in the OPERA Collaboration.
2009 - 2011 Physics coordinator of the OPERA Swiss group.
2009 - now
Coordinator of the research group on new applications of emulsion detectors at LHEP.
2005 - 2008 Project leader of the interface emulsion detectors for the OPERA experiment, leading
an international mass-production team (more than 2500 man·day) in Gran Sasso, Italy.
APPROVED RESEARCH PROJECTS
2021-2025
ERC Consolidator Grant, Study of neutrinos at the High Energy Frontier(Acronym=FASERnu, 1,998,125 e, 5 years)
2021-2023
KAKENHI 帰国発展研究 (41,400,000 JPY, 3 years)
2018
University of Bern ID grant, Advancing live cell imaging of T-cell migration across the
blood-brain barrier by employing big data analysis using high energy physics tools andDeep Learning, 149,250 CHF, shared with Prof. B. Engelhardt.
2014 - 2017 SNSF Interdisciplinary grant, Expanding live imaging in immunology using highthroughput analysis tools developed in high energy physics, 600,000 CHF, shared with
Prof. J. Stein.
2006 - 2007 Grant-in-Aid for JSPS Fellows, 6,600,000 JPY.

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TEACHING ACTIVITIES2020 - now
Lecturer on Basic laboratory course on Radiation, High Energy Physics, Physics
English, Chiba University.
2020
Lecturer on Introduction to Programming and Computational Physics, Universityof Bern.
2014
Lecturer for the AEC Graduate Course on Antimatter, University of Bern.
2013 - 2018 Lecture assistant on Elementary Particles, University of Bern.
2010 - now
Assistant for the experimental lab course on Cloud chamber (launched by myself),
University of Bern.
2002 - 2005 Assistant for the experimental lab course, Nagoya University.
SUPERVISION OF GRADUATE STUDENTS AND POSTDOCTORAL FELLOWS
2008 - now
In total, 7 Post-doc fellows (Francesca Giacoppo, Tomoko Ariga, Thomas Strauss, Jiro
Kawada, Mitsuhiro Kimura, Mykhailo Vladymyrov, Ryuichi Nishiyama), 4 PhD students(Anis Ben Dhahbi, Serhan Tufanli, Alireza Ehtesham, Frank Meisel), 1 Master student(Samuel Käser) under my supervision at AEC-LHEP, University of Bern. 1 PhD student(Alessandro Lechmann) co-supervision with Institute of Geoscience, University of Bern.
1 Master student (Max Suter) co-supervision with Bioinformatics, Biology, Universityof Bern.
2004 - 2008 1 PhD student (Masashi Kazuyama), 2 Master students (Seiji Hiramatsu, Yūji Zama)
at the Graduate School of Science, Department of Physics, Nagoya University.
MEMBERSHIPS IN PANELS, BOARDS- International Advisory Committee of Workshop on Reconstruction and Machine Learning in
Neutrino Experiments (RML2020), Octover 5-9, 2020, Brookhaven, US.
MEMBERSHIPS OF SCIENTIFIC SOCIETIES2008 –
Member of Swiss Physical Society (SPS)
2008 –
Member of Swiss Institute of Particle Physics (CHIPP)ORGANIZATION OF CONFERENCES- Session convener on “Searches for New Physics” in 2021 European Physical Society Conference
on High Energy Physics on July 26-30, 2021
- Local organizing committee of 2nd International Workshop on Antimatter and Gravity, November
13-15, 2013, Bern.
PRIZES, AWARDS- The Breakthrough Prize 2015 in Fundamental Physics for the discovery of neutrino oscillations(shared).
- 2016 Outstanding Paper Award of the Physical Society of Japan to ”Observation of tau neutrino
appearance in the CNGS beam with the OPERA experiment” (shared).
OUTREACH• Invited seminars on neutrino physics in Japanese primary schools (4 times), in Japanese highschools (2 times) in 2011-2016.
• Hosting the short term visit of students of the Shizuoka-Kita high school to CERN and Universityof Bern under the Super Science High school program supported by Japanese government (20142016 for three times).
• A Crowd-Sourcing of the reconstruction of antiproton annihilation data in the AEgIS experiment,
together with CERN in 2014. One of the ﬁrst time for CERN to release the particle detector
data to public.

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MAJOR SCIENTIFIC ACHIEVEMENTS
Neutrino oscillation studies: Observation of νµ → ντ and νµ → νe oscillations in appearance mode. Indication of non-zero δ CP .
Neutrinos are fundamental particles in the Standard Model (SM) of particle physics. The SM wasdeveloped by assuming that neutrinos are exactly massless, and it successfully described all particle
decays and interactions. However, several evidences of neutrino oscillations, which incorporate massive
neutrinos and neutrino mixing, were reported thought “disappearance” of neutrino ﬂavors. In order tounambiguously conﬁrm ﬂavor-changing neutrino oscillations, I participated in two accelerator-based
long baseline neutrino experiments, those aimed at detecting “appearances” of new ﬂavors.
One is the OPERA experiment, which studied the νµ → ντ oscillation channels. I contributed to thedetector design and production, being the project leader of a sub-detector [10.1088/1748-0221/3/07/P07005].
I then pressed forward with the establishment of the analysis procedure and software framework. I
has been the representative of Switzerland in the OPERA collaboration since 2012. My researchgroup made an essential contribution to the discovery of ντ appearance, which may be evident
from the fact that the corresponding authors of two representative publications of the “Observation [10.1093/ptep/ptu132]” in 2014 and “Discovery [10.1103/PhysRevLett.115.121802]” in 2015 were from mygroup in the University of Bern. In parallel to the main analysis, I was the convener of the νµ → νeoscillation analysis group. As the representative of the emulsion detector experts in OPERA, I gave aseminar in the series of the CERN detector seminar.
The other was the T2K experiment, which is studying the νµ → νe oscillation channels. T2K wasdesigned for a precision measurement of oscillation parameters. All the components of the experiment
was precisely tested. Among those checks, I conducted in situ muon measurements behind the decay
pipe of the T2K neutrino beamline with emulsion detectors. As muons are created in pairs withneutrinos from the meson decays, a precise knowledge of the muon beam provides a validation ofneutrino beam production. The result identiﬁed discrepancies between data and the existing hadronproduction models and helped to reﬁne it in the T2K analysis chain [10.1093/ptep/ptv054]. T2K reported
appearance of νe in the νµ beam in 2013. Furthermore, we took data in neutrino and antineutrinomode, the analysis of these data excluded the CP conservation at 2σ [10.1103/PhysRevLett.121.171802].
The OPERA and T2K results ﬁnally conﬁrmed the ﬂavor-changing neutrino oscillation hypothesis,
which contributed to the Nobel prize of 2015 for the discovery of neutrino oscillations, awarded to T.
Kajita and A. McDnald.

Interdisciplinary / side projects
The above experiments utilized the emulsion particle detectors, in which I have a deep expertise. I
conducted several physics programs and detector R&Ds. The readout of the emulsion detector is basedon high-speed scanning optical microscopes. The data at the throughput of the order of 1 GBytes
per second has to be processed in real-time manner. For this purpose, I pioneered an applicationof the parallel computing with GPUs to the real-time processing of microscope data [10.1088/17480221/9/04/P04002]. The use of GPUs for image processing and tracking now became the community
standard. The redundant computational power of GPUs also allows developing a tracking algorithm
based on the deep learning technology. In particular, the Fully-Unsupervised Machine Learning wasdeveloped [10.1088/1748-0221/15/03/P03009], which is an advanced approach among many deep learning
methods and has a potential to be applied to diﬀerent tracking detectors.
One of the applications of emulsion detector technique was the ﬁeld of antimatter studies. The
AEgIS experiment at CERN is aiming to measure the gravity on antimatter. In order to detecttiny freefall (≃ 10 µm) of anti-hydrogen, a use of emulsion detectors was proposed. A dedicatedemulsion detector which can operate in vacuum and at cryogenic temperature was developed, and theproof of the measurement principle was then demonstrated with antiprotons [10.1038/ncomms5538]. In
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addition, the fragmentation of atomic nuclei due to the antiproton annihilations were studied for several
light/heavy elements and compared to existing hadronization models [10.1088/1748-0221/12/04/P04021].
The QUPLAS experiment is another, which aims to study quantum properties of positron andto measure the gravity of positronium. The “double slit experiment” was performed for antimatter (positrons) for the ﬁrst time and we demonstrated the quantum interference pattern [10.1126/sciadv.aav7610]. This work was selected as one of the top 10 breakthrough in 2019 by the Physics World
journal.
Beneﬁting from the high angular resolution of emulsion detectors, a muon radiography of Swiss
alpine glaciers was performed for the ﬁrst time. The project aimed a study of the bedrock morphology beneath active glaciers by means of cosmic-rays. The measurement of the Aletsch glacier[10.1002/2017GL073599], the Eiger glacier [10.1038/s41598-019-43527-6] were reported, providing new knowledge in the glacial erosion process. For such a purpose, a fast readout of track data is desired.
Therefore, a special emulsion detector with larger silver bromide crystals was produced. 1000-nmdiameter crystals, ﬁve times larger than the conventional crystals, was realized and the sensitivity tominimum ionizing particles was conﬁrmed [10.1088/1748-0221/11/03/P03003].
The real-time processing of microscope data was meant for particle physics, yet, it is applicableto the ﬁelds making use of microscope, e.g. biology. I and J. Stein in University of Bern started aninterdisciplinary project (supported by SNSF), which aimed at expanding live imaging in immunology
using high-throughput analysis tools. The project enabled a real-time image processing and feedback
in multi-photon intravital microscopy [10.1016/j.jim.2016.08.004], which is now a base of various immunological studies, such as [10.1084/jem.20170896]. The approach was further developed to realize a distortion
free image taking in interavital microscopy [10.3389/fphy.2019.00222].
Springer invited me and a few other colleagues to write the second edition of the chapter “Nuclear
Emulsions” of the book “Detectors for particles and radiation” [10.1007/978-3-030-35318-6]. The book
was published as the Particle Physics Reference Library.

Proposal of future experiments with high-energy neutrinos, NA65/DsTau and FASERν
Precise measurements of high energy neutrinos, in particular tau neutrinos, might be a key tounderstand physics beyond the SM. I launched a project named DsTau [10.1007/JHEP01(2020)033], which
studies tau-neutrino production in proton-nucleus interactions with the beam from the CERN SPS. In
February 2016, I submitted a letter of intent of DsTau [SPSC-I-245] to the CERN SPSC (SPS and PS
experiments Committee). Receiving a positive feedback from the SPSC, I have formed an international
collaboration with eight institutions from ﬁve countries. I have been the spokesperson of the DsTau
collaboration. After two test beam campaigns in 2016 and 2017, the experiment proposal [SPSC-P-354]
was submitted in August 2017. With results from a pilot run in 2018, the project was approved by
CERN as the NA65 experiment. NA65/DsTau is preparing for physics run in 2021.
Neutrinos cross-sections miss measurement at TeV energy region (350 GeV - 6 TeV). I exploredpossibilities to make use of the LHC as a neutrino source, being the early member of the FASER
collaboration. I conducted an in-situ measurement of background particle ﬂux at the forward locationof the ATLAS apparatus, which was instrumental for the approval of the FASER experiment [LHCCP-013] by CERN for the dark photon searches on March 2020. Furthermore, I proposed a neutrino
measurement at the same location [10.1140/epjc/s10052-020-7631-5] [LHCC-P-015], which was also approvedby CERN on December 2019.

4これまでの研究業績 (日本語版）
アピアランスモードでの世代間混合ニュートリノ振動の観測
素粒子が見せる量子現象は興味深く、私はその顕著な例であるニュートリノ振動に魅せられた。２０００年頃にはまだディスアピアランスの結果しかなく、フレーバー混合ニュートリノ振動の決定的な証拠となるアピアランスの観測が急務だった。私はこのアピアランスの観測を目指し、2001 年の実験の承認とほぼ同時に OPERA 実験に参加した。
OPERA 実験は CERN から νµ ビームを 730 km 離れたイタリアの Gran Sasso 国立研究所に向けて照射（CNGS neutrino beam）し、そこで ντ として検出されるかどうかを調べる実験である。当時の国際的競争の観点から OPERA 実験では解析が如何にスムーズにスタートできるかが要であった。その為、私が主導して OPERA の検出器構造を模したエマルジョン・エレクトロニクスのハイブリッド
検出器を構成した。これにより解析の問題点を洗い出し、メインのエマルジョン検出器とエレクトロ
ニクス検出器とをインターフェイスする検出器（CS と呼ぶ）の重要性を明確にした。この CS 検出
器はプロポーザルにはないエマルジョン検出器であり、過去のニュートリノ実験に比べてバックグラ
ンドが 1/106 以下という超低バックグランドが要求された。私はこの検出器を担当し、2005 年までに要求を満たすハイブリッド検出器構造を決定した [10.1088/1748-0221/3/07/P07005](図 1-左)。その後、Gran Sasso にて CS のプロジェクトリーダーとして 3 年間常駐し、多国籍チームを率いて 170,000 個の大量生産を行った（のべ 2500 人日）。私が作った OPERA 検出器を図 1-右に示す。この期間は同時に CNGS のコミッショニング期間でもあり、私は現場にてエマルジョン検出器のコミッショニングを監督した。これらの成果が物理ランが始まった 2008 年以降のスムーズな解析の立ち上がりを可能にした。

図 1: 左：OPERA 実験のハイブリッド構造。主エマルジョン検出器 (ECC) とターゲットトラッカーとのインターフェースを Changeable Sheet 検出器 (CS) が行う。右：OPERA 検出器は 1.3 kt の大質
量と 1 µm の高位置分解能を両立させたニュートリノ検出器である。154,000 個の CS と ECC からなり、これの生産を私が現地に常駐して行った。サイズの指標として私が中央に立つ。

2008 年以降はスイス・ベルン大学に在籍し OPERA の解析を牽引した。2009 年からは OPERA-ス
イスグループ（研究者約 10 名）の物理コーディネータに、また 2012 年からは OPERA コラボレー
ションにおけるのスイスの代表者を務める。私のグループはヨーロッパの 12 機関中 最大の解析能力（ヨーロッパの約 40 ％）を持ち、ντ 反応探索を精力的に行った。その他、崩壊探索のプロトコルづくりの主導、CERN でのビームテストの責任者、また νµ → νe 振動解析 [10.1007/JHEP07(2013)004] のコー
ディネータ等も務めた。この間に直接的に指導に携わった PhD 学生が 3 名、博士号を取得した。彼らには OPERA という大きなコラボレーションの中でも独自性を持てるテーマを提示し、主体性を持って行うように指導を行った。
OPERA 実験は 2008 年から 2012 年までの 5 年間に 1.8×1020 POT (protons on target) のニュートリノビームを蓄積した。2010 年に最初の ντ 事象を報告し、2015 年までに計 5 ντ 事象の検出を報告した。統計的優位性は 5 σ を超え、νµ → ντ 振動の決定的証拠と言える。特に最初の事象 [10.1016/j.physletb.2010.06.022] については私は論文の執筆メンバーとして携わった。この事象を5τ

100 µm500 µm

図 2: OPERA 実験で見つかった最初のタウニュートリノ事象。赤い短い飛跡がタウであり、これが１つのハドロンと２つの γ 線崩壊をした。これは τ → ρντ 崩壊として説明できる。

Figure 2 に示す。また、その後に報告した Observation [10.1093/ptep/ptu132] と Discovery [10.1103/PhysRevLett.115.121802] (主要論文 (1)) の論文の責任著者がベルン大学から出ていることは私のグループの貢献の大きさを示している。
T2K：上記と並行して、日本において νµ → νe 振動をアピアランスモードで検証する T2K 実験にも参加した。その中で私は特に T2K ニュートリノビームラインにおける µ 粒子の絶対的フラックスの測定をエマルジョン検出器を用いて行った [10.1093/ptep/ptv054]。その結果は既存のモデルとの不整合性を指摘し、ハドロンプロダクションモデルの深い理解に貢献した。T2K は 2013 年までに 28 νe 事
象を観測し 7.3 σ の統計的優位性を報告した [10.1103/PhysRevLett.112.061802]。さらにニュートリノとアンチニュートリノの測定からニュートリノ混合行列における CP 対称性の破れを 2 σ の優位性で報告した [10.1103/PhysRevLett.121.171802]。
OPERA と T2K によるニュートリノ振動のアピアランスによる検証結果はニュートリノ振動の議論に決着をつけ、ニュートリノの研究を次のステップへ導くものとなった。私はこれらの結果を教授
資格論文 “Discovery of neutrino oscillations in appearance mode” としてまとめ、2018 年にベルン大学にて Privatdozent のタイトル (教授資格) を取得している。
ニュートリノ振動の研究に加えて、エマルジョン検出器を活用した実験や技術開発を行うワーキン
ググループを 2009 年よりベルン大学内に作り、私がコンベナーを務めている。さまざまな実験のア
イディアに対応するために Figure 3 のような検出器生産施設・化学処理施設・飛跡読み取り施設の整備を行った。ここで実現をした実験のいくつかを紹介する。
図 3:
ベルン大学のエ
マルジョン検出器生産施設（左）。地下３５ｍにあり、大学レベルでの生産設備としては世界トップクラスである。
（右）同飛跡読み取り
設備、6 台の独自の読み取り装置が稼働してる。
反物質にかかる重力 AEgIS：反物質に対する重力の測定は未だなされておらず、これを測定することは弱等価原理の検証となる。AEgIS 実験では低速の反水素ビームを作り出し、反水素の微小な自由落下 (≃ 10 µm) をエマルジョン検出器を用いて調べる方法を提案した。原理実証実験の結果を Nature
Communication に発表した [10.1038/ncomms5538]。また、同ビームラインを用い、反陽子と様々な元素との対消滅反応を測定した [10.1088/1748-0221/12/04/P04021]。
反物質の波動性の観測 QUPLAS：意外にも反物質の波動性に関する研究は多くない。この為、陽電子を用いた現代版「ダブルスリット」実験を世界で初めて行った [10.1126/sciadv.aav7610]（図 4）。この
結果は反響が大きく Physics World 誌が選ぶ “Top 10 Breakthrough 2019” に選ばれた。将来的には

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QUPLAS 実験にてポジトロニウムにかかる重力測定を行い、弱等価原理の検証を行う。
ミューオンラジオグラフィー Eiger-µ：エマルジョン検出器の高角度分解能を生かし、宇宙線ミューオンを用いて構造物を透視するミューオン・ラジオグラフィーの技術開発を 2009 年より行ってきた。
カナダ等での予備実験を経て 2015 年よりスイス国立基金からのサポートを受け、スイスの山岳氷河に対する適用を開始した。これまでにアレッチ氷河・アイガー氷河の測定を行い論文にまとめた[10.1002/2017GL073599][10.1038/s41598-019-43527-6]。測定されたスイス最大の氷河であるアレッチ氷河の上部の氷河下岩盤形状を Figure 4-中央に示す。スイス・ヨーロッパでは氷河による浸食過程には科学的にも災害対策の観点でも高い関心があり、この技術は氷河研究の新しいプローブとして注目されている。現に我々の結果は氷河学の常識から外れるものであり、驚きをもって受け取られた。

図 4: 左：QUPLAS 実験での反陽子の量子的干渉縞の初測定。中央:ミューオン・ラジオグラフィー
によって測られた氷河と岩盤の形状。右：多光子生体顕微鏡におけるリアルタイムでのデータプロセ
スとフィードバックによる１抗体細胞の長時間トラッキング（マウスのリンパ節中）。
関連技術開発：上記のようにエマルジョン検出器の用途の多目的化に伴い、独自のエマルジョン検
出器の読み出し技術の開発を行ってきた。2008 年より GPU (Graphic Processing Unit) を用いた顕微鏡画像の高速処理を提案し、現在これが業界スタンダードとなっている。GPU による並列計算はハ
イ・パフォーマンス・コンピューティングの分野におけるソリューションの一つであり、並列化が可能なタスクの処理においては非常に有用である。これを用いて従来難しかった高速の全方位トラッキングを実現した [10.1088/1748-0221/9/04/P04002]。また、GPU の計算パワーを利用してディープラーニングを用いたトラッキングの試行錯誤をしている。その一つに Unsupervised learning (教師なし学習）を用いたトラッキングを開発した [10.1088/1748-0221/15/03/P03009]。これは数あるディープラーニング手法の中でも先進的なものである。一方で、多くの用途（例えばミューオン・ラジオグラフィー）ではエ
マルジョン検出器の位置精度は必要とされる精度より 1 桁以上よい。よって、精度をある程度落とし、その代わりに読み出し速度の高速化する方向性を打ち出した。臭化銀のサイズを従来の 5 倍にすることに成功し、理論的には 25 倍の読み出し速度の高速化を可能にした [10.1088/1748-0221/11/03/P03003]。
医学・生物学への応用：エマルジョン検出器の読み出しの為の顕微鏡技術・画像処理技術は素粒子の為だけでなく、汎用性の高いものである。私は医学部免疫学のグループと「高エネルギー物理学の為のハイ・スループット解析ツールを用いた免疫学の生体イメージングの拡張」として学際的プ
ロジェクトを立ち上げた (スイス国立基金より 7000 万円相当の研究費)。多光子顕微鏡の 3 次元イ
メージをリアルタイム解析するという生物学の分野では採用されてこなかったコンセプトをもとに、これまで難しかった長時間の免疫細胞のトレーシングを可能にし [10.1016/j.jim.2016.08.004]、実用化した[10.1084/jem.20170896]（図 4）。さらにデータテイキングを呼吸等の生体活動と同期することによる歪み
フリーなデータティキングを可能にした [10.3389/fphy.2019.00222]。

CERN でのニュートリノ実験の牽引: メインのニュートリノ実験に関して、私は CERN の加速器を用いたニュートリノ実験をけん引してきたと自負している。中でも SHiP プロジェクトのタウニュートリノ
プログラムの提案、タウニュートリノ生成を研究する NA65/DsTau 実験 ([10.1007/JHEP01(2020)033] 主要
論文 (2)) の提案・立ち上げ（現スポークスマン）、LHC を用いたニュートリノ実験 FASERν([10.1140/epjc/s10052020-7631-5] 主要論文 (3)) の提案・立ち上げ (現共同プロジェクトリーダー) を行ってきた。これらが現在の研究活動の柱となっている。
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