ニュートリノ振動とCP対称性の破れ（と、その先）
東北大学

市川温子

1/86

自己紹介
 エマルションでダブルハイパー核を探す実験で京大理 博士号取得
 その後、加速器長基線ニュートリノ振動実験へ（京大→KEK→京大→東北大) K2K実験

前置検出器建設

 T2K実験

ビームライン建設、実験立ち上げ
データ解析、実験グループ代表
 最近は、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊探索を目指して高圧キ
セノンガス検出器の開発もしている 量子力学の基礎実験もしたいと思っている

J-PARC 近々の悩み：11月に講演が重なり、自分の話に飽きてしまった．今日は、

少し個人的な夢想（妄想）も入れたり、脱線したりしたい。
2/86

素粒子の周期律表
質量で区別
フェルミオン
（物質を構成するスピン の粒子)?
3/86

３つのニュートリノは、どのように識別？
- コインの表と裏(SU(2)二重項) –ニュートリノは、物質に当たって弱い相互作用を受けると

電子
ニュー
トリノ

電子

ミュー
ミュー
ニュー
トリノ

タウ
タウ
ニュー
トリノ

この分類を
フレーバーと呼んでいる。

つまり、これが、電子ニュートリノ、
ミューニュートリノ、タウニュートリノの定義
 電子に変わるニュートリノを電子ニュートリノ
 ミュー粒子に変わるニュートリノをミューニュートリノ
 タウ粒子に変わるニュートリノをタウニュートリノ
1960年代に名付けられた．

4/86

フレーバーと質量の混合 3種類の荷電レプトン () : 質量でのみ識別可能

 3種類のニュートリノ : 物質と相互作用することによって識別可能 = フレーバー
ニュートリノが質量を持つならば、フレーバーの固有状態と質量固有状態が同じである必要はない
ν1,ν2,ν3 : 質量の固有状態クォークでも同じことが起きている
Partner of
5/86すると、ニュートリノはあるフレーバーの固有状態で作られるが、異なる速さをもつ複数の波として伝搬していく
２種類で説明するとミュー

タウ

ニュートリノ

ニュートリノ
Aの波とBの波は異なる速さで進む

数百キロメー
タ進むうちにミューニュートリノ

タウニュートリノ!

タウニュートリノ

1998年
スーパーカミオカンデ
により発見

走った距離

6/86

ニュートリノ振動
飛行距離

P (ν α → ν β ) = ν β ν α2L= sin 2θ sin (Δm
)
4E
2

2

2

質量の２乗の差
ただし 電子の質量 : 0.5 MeV
 ミュー粒子の質量 : 106 MeV

エネルギー

混合角

|𝜈 ⟩

cos 𝜃 |𝜈 ⟩sin 𝜃 |𝜈 ⟩

 タウ粒子の質量 : 1780 MeV

なので、• ミューニュートリノは~110 MeV以上• タウニュートリノは~ 3.5 GeV以上のエネルギーを持っていないとフレーバー状態として観測されない．
つまり、ニュートリノ振動で種類が変わると、”消失”することがある．
7/86

ニュートリノに質量があることが1998年に発見された．
現在、その大きさはどこまでわかっている？
Sunnuclearreactor



V



V



V (95% 信頼度)

atmospheric↓m V
電子の質量の約1/10,000

accelerator

cosmological observation

8/86

ちょっと夢想9/86

フェルミオンの質量の分布(横軸対数で)Higgs
𝑠, 𝜇, 𝑐, 𝜏, 𝑏

𝜈 ,𝜈(assuming 𝑚

𝑢, 𝑑

0)

𝑡

𝑒

10/86

対数正規分布 Wikipedia, “A log-normal process

is the statistical realization of themultiplicative product of many

2010年のアメリカの世帯収入分布

independent random variables,
each of which is positive. “ 例：個人の年収、油田の埋蔵量、感染爆発時の感染者数
 それぞれの人が収入を何倍かに増やす機会は 回。 は正規分布に従うが、得られる収入の分布は対数正規分布になる。

11/86

素粒子の質量の起源は？
真空に凝縮した
どうやって与えられた？ ヒッグス場との相互作用

Higgs𝑠, 𝜇, 𝑐, 𝜏, 𝑏

𝜈 ,𝜈(assuming 𝑚
𝑢, 𝑑

0)

𝑡

𝑒

12/86

フレーバーと質量の混合．
これは何を意味している？
クォーク : アップタイプとダウンタイプで弱二重項

質量の固有状態と一致せずレプトン : 荷電レプトンとニュートリノで弱二重項
𝑢の
パートナー

𝑡の
パートナー

𝑐の
パートナー

s

d

電子ニュートリノ
タウニュートリノm3
ミューニュートリノ

m2

d

s

flavorflavorflavor

𝑚
𝑚
𝑚

𝑈

b

m1

クォーク：キャビボ小林益川行列
𝑈

0.9742 0.2243
0.218
0.997
0.0081

0.04

m3

m1
m2

m3

m1

m2

レプトン：ポンテコルボ牧中川坂田行列0.0039

0.042

1.02

𝑈

0.823

0.55
0.50

-0.4650.32 -0.670

0.148

0.73
0.67
13/86

フレーバーと質量の混合．
これは何を意味している？
クォーク : アップタイプとダウンタイプで弱二重項レプトン : 荷電レプトンとニュートリノで弱二重項
flavorflavorflavor𝑈𝑚𝑚𝑚

クォーク：キャビボ小林益川行列
𝑈

質量の固有状態と一致せず

0.9742 0.2243
0.218
0.997
0.04

0.0081

レプトン：ポンテコルボ牧中川坂田行列0.0039

0.042

1.02

𝑈

クォークとレプトンの間のあ 2/3
る種の対称性を仮定した大統 U
MNS =  − 1 / 6

一理論の予言1U CKM ≈  0
0


0
1
0

0

0
1 

0.823

 1/ 6
 0 .816=  − 0 .408
 0 .408


0.55
0.50

-0.4650.32 -0.670
1/ 3
1/ 3
− 1/ 3
0 .577
0 .577− 0 .5770 

1/ 2 

1 / 2 0 
0 .707 
0 .707 

0.148

0.73
0.67

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Higgsの性質、フェルミオンの質
量、４つの相互作用の強さ、いつどうやって決まった？
インフレーションの前？最中？
対数正規分布になりそうな指数関
数的なプロセス？？？
何らかの対称性が微妙に破れたのが今の混合行列？
15/86

夢想はここまで。

16/86

三世代混合行列と小林-益川模型
タウニュートリノ

電子ニュートリノ

電子
ミュー
タウ

m3

ミューニュートリノ

m2

m3
m1

混合行列

m1

m1
m3

m2

m2

小林-益川模型

混合行列は、3世代以上の場合には、複素成分を持つことができる.



虚数成分は、粒子と反粒子では逆符号に影響

複素位相を𝜹として粒子 exp

𝑖 𝐸𝑡

𝑝𝑥

𝛿

反粒子exp

𝑖 𝐸𝑡

𝑝𝑥

𝛿

CP対称性を破る！
* CP対称性 : 荷電(Charge)変換と鏡像(Parity)変換を同時に施した時の物
理法則の対称性17/86

三世代混合によるCP対称性の破れの大きさ
𝑓
𝑓
𝑓

𝑈

𝛿

𝑚
𝑈 𝑚
𝑚

1
0
0

オイラーの角度を用いた混合行列の一般的な表し方

0
𝑐
𝑠

0
𝑠
𝑐

𝑐
0

0
1
0
𝑠 𝑒
𝑐
cos 𝜃 , 𝑠

𝑠 𝑒
0
𝑐
sin 𝜃

𝑐
𝑠
0

𝑠
𝑐
0

0
0
1

は、どこに位相を持たせるか定義によって値が変わる．

 定義によらず三世代混合によるCP対称性の破れの大きさを表す量 :Jarlskog不変数 𝐽≡ 𝐼𝑚 𝑈 𝑈 ∗ 𝑈 𝑈 ∗

Quark

𝑱𝑪𝑲𝑴
𝑪𝑷

Lepton 𝑱𝑷𝑴𝑵𝑺𝑪𝑷

sin 2𝜃 sin 2𝜃

𝟑

𝟏𝟎 𝟓

𝟎. 𝟎𝟑𝟑 𝐬𝐢𝐧 𝜹𝑪𝑷

sin 2𝜃 cos 𝜃 sin 𝛿
まだ、この値を人
類は知らない レプトンセクターにおける三世代混合によるCP対称性の破れは、クォー

クに比べて2~3桁大きい可能性大18/86

国際会議(NOW 1998)での西川さんのスライド

19/86

国際会議(NOW 1998)での“消失(disappearance)”
西川さんのスライド
あるフレーバーのニュートリノ
が、そのフレーバーとしては観測されなくなること“出現(appearance)”
別のフレーバーとして観測されること

混合行列のユニタリー性から、消失確率はニュートリノと反ニュートリノで同じになる．(同じでなかったらCPT定理が破れる)
２種類のうち、どちらのニュートリノに変化するかの割合は、ニュートリノと反ニュートリノで異なっても良い ⇒CP対称性の破れ

20/86

国際会議(NOW 1998)での“消失(disappearance)”
西川さんのスライド
あるフレーバーのニュートリノ
が、そのフレーバーとしては西川氏と戸塚氏がCP測定のために加速器観測されなくなること“出現(appearance)”
ニュートリノ実験の次の目標としてミュー
別のフレーバーとして観測さニュートリノから電子ニュートリノの出現をれること測定することを提案

混合行列のユニタリー性から、消失確率はニュートリノと反ニュートリノで同じになる．(同じでなかったらCPT定理が破れる)
２種類のうち、どちらのニュートリノに変化するかの割合は、ニュートリノと反ニュートリノで異なっても良い ⇒CP対称性の破れ

21/86

加速器長基線ニュートリノ振動実験~ 現状と挑戦 ~22/86

エネルギー1 GeVだと約500 kmで振動が最大に原子炉からの~5 MeVの反電子ニュートリノであれば2.5 kmで済むが、CPV測定はできない．

23/86

ミューニュートリノビームの作り方
弱い相互作用の特徴(A-V相互作用)のため、パイ中間子は質量の軽い電子と電子ニュートリノの対にはほとん
ど壊れない．

陽子

原子核

ミューニュートリノ

パイ(+)粒子パイ(－)粒子~100メートル

反ミューニュートリノ

数百 MeVから数 GeVのニュートリノを生成そのままだと、ニュートリノは四方八方に飛び散ってしまう

24/86

電磁ホーン : パイ粒子を収束させるレンズ
数百キロアンペアの電流を瞬間的に流して磁場を発生
電流

電流

 パイ(+)中間子を収束させるとミューニュートリノビーム
 パイ（－）中間子を収束させると反ミューニュートリノビームを作り出せる。

25/86

加速器長基線ニュートリノ振動実験の全体図

Neutrino beamline

ProtonAccelerator

Decay Volume

Target&Horns

π

νμ
μ

A few 100m ~ a few km

Beam
dump

Near
Detector

Far
Detector

μ monitor
A few 100km
timing synchronizedusing GPS

26/86

Tokai to Kamioka
ニュートリノ振動実験

295km
J-PARCスーパー
カミオカンデ

国土地理院

Pure νμ beam
280m

27/86

Tokai to Kamioka
ニュートリノ振動実験

295km
J-PARCスーパー
カミオカンデJ-PARCで作ったミューニュートリノの大部分がタウニュートリノになって、
国土地理院
スーパーカミオカンデを素通りする。

Pure νμ beam

ミュー
タウ
ニュー
トリノ
28/86

Tokai to Kamioka
ニュートリノ振動実験

295km
J-PARCスーパー
カミオカンデT2Kでは稀に電子ニュートリノになって、スーパーカミオカンデで捕まえられるのを探す。
国土地理院

Pure νμ beam
280m

電子
ミュー
ニュー
トリノ
29/86

Tokai to Kamioka
ニュートリノ振動実験

295km• 加速された1個の陽子から10個弱のニュートリノが生成
J-PARCがスーパーカミオカンデを通過• そのうち、
スーパーに1回• スーパーカミオカンデを通過したニュートリノは、
カミオカンデくらいは反応して検出される• つまり、1個のニュートリノをスーパーカミオカンデで観測する国土地理院の加速陽子が必要には、約Pure νμ beam
280m

30/86

The T2K Collaboration (2021)~470 members, 74 Institutes,
13 countries

Hungary

Italy
Germany

FranceJapan

Switzerland

Vietnam

RussiaCanada

Spain

USA

積算
コラボレータ数

PolandUK
31/86

加速器長基線ニュートリノ振動実験~ 現状と挑戦 ~ニュートリノビームを作る
32/86

Japan Proton
Accelerator ResearchComplex：J-PARC

KEK/JAEA

400MeVLinac

3 GeV RCS
2.48秒に一度、パルスとして取り出される

Neutrino Beams(to Kamioka)
Materials and Life
Experimental Facility

Hadron Exp.
Facility
Bird’s eye photo in January of 200833/86

大強度フロンティア加速器
毎秒 ~ 𝟏𝟒 個の陽子を加速
瞬間的には~60アンペアに対応する陽子が真空パイプの中を流れる。
陽子は、約30万回、リングを回る間に加速 お互いに働く反発力 （空間電荷効果）
 ビームパイプ中の鏡像電荷からの力 （ビームパイプのデコボコが問題) ビームを制御する磁場の誤差が集積して、不安定性が増大．特に周回と整数倍で一致すると共鳴
これらを、如何に制御するか。
現在 ビーム強度 500キロワットを達成
34/86

ニュートリノビームライン～数百キロワットビームを使うということ
例えば50 GeV 3.3E14陽子 5マイクロ秒のパルス
こういうビームが鉄の塊にあたるとResidual radiation> 1000Sv/h
K

cm

cm
1100°C(cf. melting point 1536°C)

 鉄よりも重い物質はたぶん溶ける 熱衝撃によるストレス 𝐸𝛼Δ𝑇 3 GPa (cf. 耐力 ～200 MPa)
チタンよりも重い物質は多分破壊される

35/86

J-PARC ニュートリノビームライン
ニュートリノでCP対称性の破れが測れるかもと聞いた物理屋のあなた．
ある日、「実験したいなら施設から作りなさい」と言われて海辺の松林を示された．
どうする？
欧米では、こんなやり方しない．
KEKニュートリノ・グループは(それまでそんな経験なかったけれど）、（さまざまなエキスパートにサポートされながら）やり遂げた．
土木設計、光学設計、放射線遮蔽、熱計算、応力計算、機械設計、制御などなど．
2010年頃までですが、ここでチームのみなさんと仕事できたことは私の誇りです．
36/86

J-PARC ニュートリノビームライン
targetMuon monitors

Horn

炭素を風速約200m/sのヘリウムで冷却

１００ｍ

primary beamline

Near Detector
target station
dump
decay volume

superconducting magnet

37

37/86

T2K Horn systemhorn2
x 10 3a.u.

off-axis 2.5deg

2000
1750
1500

νμ flux

3rd horn

Horn On

1250

horn1

1000
750

Horn Off

500
250
0

0

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

1.75

2

GeV

Eνμ

38/86

T2Kで新しく取り入れた“オフアクシス法”
Eν (GeV)(Proposed in BNL-E889 Proposal)

ビームのずれの許容範囲を調べていて見つけたらしい
0°

1

2°
3°

0

0

2

2.5°

5

8

𝑝 (GeV) ビームの中心軸をわざとずらす ⇒ 一定の崩壊角で生成したニュートリノがSKに届く⇒ 親π粒子のエネルギーによらず大体同じエネルギーのニュート
リノ T2K off-axis angle : 2.5°
 SKで振動確率が最大になる0.6 GeVにピークをもつエネルギースペクトル 信号倍増、背景事象激減

39/86

加速器長基線ニュートリノ振動実験~ 現状と挑戦 ~新鮮なうちにニュートリノの性質を測る
40/86

ニュートリノのフラックス予想
T2Kレプリカターゲット

コラボレータの一部が、CERN NA61/SHINE実験に参加してデータ取得

41/86

前置検出器 @ J-PARC

ビームの空間分布を測ることで、ビーム中心軸を測定．ビームの安定性もモニター

42/86

前置検出器ND280を上から見た所
UA1磁石
普段は閉じているが、この写真では開(CERNで、Z, Wを発見に使われていた)

TPC(ガス検出器)

TPC
TPC

ニュートリノ

約47,000のセンサー
専用の回路で読み出し
シンチレータアレイ

43/86

加速器長基線ニュートリノ振動実験~ 現状と挑戦 ~295キロメータ熟成させて測る
44/86

スーパーカミオカンデ

 東京大学宇宙線研究所
 水チェレンコフ検出器

41 m

 地下1,000メートル
 50キロトン水タンク、有効領域22.5キロトン
 11,100本の20インチ(50センチ)光電子増倍管39 m

 1996年観測開始

45/86

スーパーカミオカンデ

東京大学宇宙線研究所
46/86

スーパーカミオカンデ

47/86

スーパーカミオカンデは電子とミュー粒子を区別できる→ 反応したニュートリノが電子ニュートリノだったかミューニュー
トリノだったかを識別できる

μ-likee-likee+γ

SKができてから四半世紀経ったが、計算機の進歩や機械学習などで、まだまだ解析手法も発展中
例 : 縁の方で起きた反応やリング２個ある反応も解析できるように(~30%統計増)

e-

e-

e- γ
e+
γ

e-

eγ

ee+

48/86

どれがJ-PARCから来たニュートリノか？
GPSで加速器とSKを同期
 Events in the T2K beam timing Propagation time of Cerenkov photons are corrected.

relative event timing to the spill timing

ΔT0 = TGPS@SK - TGPS@J-PARC - TOF(~985μsec)

49/86

最新結果
ミューオンニュートリノは、どれだけミューオンニュートリノとして残っているか50/86ミューオンニュートリノがどれだけ残っているかT2K Run1-10 Preliminary

Reconstructed Neutrino Energy[GeV]

318 events

T2K Run1-10 Preliminary

Reconstructed Neutrino Energy[GeV]

振動なしの場合との比

137 events

エネルギーの再構成の精度を考えると、ゼロコンシステント

→

51/86

vs.
T2K Run1-10 preliminary

CPT test : comparison of 𝜈 and anti-𝜈
T2K Run1-10 preliminary

52/86

最新結果
ミューオンニュートリノは、どれだけ電子ニュートリノに変化し
たか
53/86

ミューオンニュートリノは、どれだけ電子
ニュートリノに変化したか
観測数
ニュートリノ

108 個

反ニュートリノ

16 個* 反ニュートリノはニュートリノに比べて物質と反応しにくいので、観測期待値自体が少ない
T2K Run1-10 preliminary電子
ニュートリノT2K Run1-10 preliminary

反電子
ニュートリノ54/86ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 真空中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)

測定された混合角から計算

観測値

許される解

55/86

が、地球は、フレーバーについてもCPについても対称でない。。。

 地中の電子との相互作用をポテンシャルとして感じる 電子ニュートリノとミューニュートリノ/タウニュートリノでは感じるポテンシャルが異なる
 振動の仕方に影響 ニュートリノと反ニュートリノで反対 質量の順番 (normal: 𝑚𝑚𝑚 , inverted: 𝑚𝑚 エネルギーが高い=基線長が長いほど、影響が大きい𝑚 )で反対56/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)Normal mass order (𝑚𝑚𝑚 )Inverted mass order
𝑚
𝑚 )
(𝑚

57/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)Normal mass order

Inverted mass order

Lucky Spots
CP対称性の破れを発見し、質量の順序も決める可能性大58/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)Normal mass order
example observation

Inverted mass order

59/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)
CP位相 δ
許される領域
Normal mass order
example observation

Inverted mass order

60/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)Normal mass order

Inverted mass order
example observation

61/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)Normal mass order

Inverted mass order
example observation

CP位相 δ 許される領域
62/86

CP位相 : 混合行列に現れる複素位相(−１８０度から１８０度の間の値を取り得る)#anti-𝜈

maximal CPV case(normal mass ordering)

CP対称性が保存する（粒子と反粒子の性質に違いがない）

0度

#𝜈

2σ以上
で排除

CP対称性が破れている信頼度は95%弱CP対称性が破れて、電子ニュート
リノの観測数が 90度増える

質量の順序についての事後確率
normal : inverted
81% : 19%

最適値
−113度

1σ以
上で
排除

3σ(99.7%)
以上の信
頼度で排除

2σ以上
1σ以上 で排除
で排除

180度

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

90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）63/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)Normal mass order

Inverted mass order
example observation

CP位相 δ 許される領域
64/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)Normal Hierarchy

Dotted : NOvA

アメリカで走っている加速器長基線
ニュートリノ実験
加速器から810 km
先でニュートリノを測定

Inverted mass order
T2K example observation

CP位相 δ T2Kで許される領域
65/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)
Dotted : NOvA
NOvA で許される領域

T2K (rough) full stat. error+/-1σ

CP位相 δ T2Kで許される領域
66/86

ミューニュートリノから電子ニュートリノへ変化する確率@振動が最も大きいエネルギー, 地中, sin22θ23=1, sin22θ13=0.1
P(νμ→νe)
Dotted : NOvA
NOvA で許される領域

T2K+NOvAで許される領域

T2K (rough) full stat. error+/-1σ

CP位相 δ T2Kで許される領域
67/86

実際は、混合角θ23 の不定性のため
P(νμ→νe)
Uncertainty by θ23(current 1σ)

θ23 measurement is also(or more)
important.
68/86

T2K、NOvA、スーパーカミオカンデの大気
ニュートリノの結果の重ね書き
normal mass order

180°

0°

𝛿
180°

Inverted mass order

sin 𝜃

sin 𝜃

 まだ、この辺りがCP保存領域として許されている.
 質量の順序もnormalとinvertedかどうか何とも．
69/86

宇宙における物質反物質の非対称性
 宇宙の始まりの直後には、粒子と反粒子は同じ数だけ存在
 約10−10秒後に10億分の１の違い 約100秒後に（10億分の1のほぼ)粒子だけが残った

どのように？
 これまでにクォークで見つかっているCP対称性の破れで計算すると残れる物質の量が10桁くらい足りない．
 レプトジェネシス模型では、ニュートリノで説明 ただし、このニュートリノが、今、我々の観測しているニュートリノとは限らない（宇宙初期にもっと重いニュートリノが存在していた可能性）

 𝐽

𝟎. 𝟎𝟑𝟑 𝐬𝐢𝐧 𝜹𝑪𝑷 が0.02程度あればニュートリノ振動で観測される
CP対称性の破れで（も）宇宙の物質-反物質非対称性を作ることは可能と言われている(*).
* S. Pascoli, S.T. Petcov, and A. Riotto Nucl. Phys. B774, 1 (2007)
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Hubble Telescope

加速器長基線ニュートリノ振動実験~ 現状と挑戦 ~展望 ニュートリノをたくさん作ってデータを取る 陽子１個あたりから得られる情報を増やす
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 T2K実験で2026年頃までデータを取る 加速器
 磁石電源を増強するなどで加速周期を上げる 2.48 s  1.32 s  1.16 s
 加速空洞を増強するなどでパルス当たりの陽1cmシンチレータ
キューブ 200万個

子数を増やす ニュートリノビームライン
 ホーン電流を上げる 250 kA → 320 kA などなど
 スーパーカミオカンデ
 チェレンコフ・リングが２個以上の事象も使う
 中性子を検出する(SK-Gd)
 Deep Learningで挑戦
 新しい前置検出器
ニュートリノと原子核の反応を精密に測定 → 系
統誤差を小さくが付近であれば 程度でCP対称性の破れの証拠を掴む

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そして、ハイパーカミオカンデSK 加速器長基線実験
 CP位相𝛿≉ 0であれば 5σでCP対称性の破れを観測 CP位相𝛿 を7°~22°の精度で決定
 大気ニュートリノによる質量順序の決定
 ニュートリノ天文学(太陽、超新星)
 陽子崩壊探索による大統一理論の検証
 暗黒物質探索2020年度建設開始 2027年度完成予定

東京大学宇宙線研究所

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ハイパーカミオカンデ建設状況
2021年5月

光電子増倍管のカバー7474

光電子増倍管74/86

ところで、ニュートリノを通して高いエネルギーの物理や物質反物質非対称宇宙の起源を理解するには、これも重要
ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊 (0νββ)

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ニュートリノは、他のフェルミオンとは違うかもしれない

マヨラナ・フェルミオン

ディラック・フェルミオン

CP変換

or

CP変換

ニュートリノがディラック・フェルミオンなのかマヨラナ・フェル
ミオンなのかは、わかっていない。
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シーソー模型• マヨラナニュートリノはヒッグス場と直接相互作用はできない。
• まだ見つかっていない重いマ
ヨラナニュートリノが存在。
• それを介して（観測されている）ニュートリノはヒッグス場を感じる。
• そのせいですごく軽くなる。
• 重いマヨラナ粒子の質量• 10 ~10 GeVだと自然

ヒッグス場

ヒッグス場

𝑒
左巻

右巻

ヒッグス場

電子などの質量の与えられ方𝑚
𝑀

𝑀by 柳田勉氏他

ヒッグス場
マヨラナ質量𝜈

マヨラナ質量が重いと、ヒッグス場との相互作用で得られる質量が小さくなる

シーソー模型における質量の与えられ方の一例
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重いニュートリノを勝手に作るってずるくないか？
大統一理論 (← まだ完成していない) 何種類もあるように見えるフェルミオン、ボソンを一つの枠組 に 陽子が崩壊すると予言 いくつかの有力候補は重いマヨラナニュートリノがあることを予言混合行列がクォークとレプトンで大きく異なるのは、重いマヨラナ
ニュートリノが関わっているせい？

レプトジェネシスによる物質反物質非対称宇宙の生成
 宇宙初期に生成した重いマヨラナニュートリノの崩壊で軽いニュートリノを生成。
 この時にCP対称性が破れ ニュートリノの数 反ニュートリノの数 その後、真空の遷移などを経て物質の数

反物質の数
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Planck𝑀
どうやって与えられた？

真空に凝縮した
ヒッグス場との相互作用𝑚𝑀

ニュートリノが極端に軽いのは高いエネルギーの物理が関係？

プランク

0)

𝑢, 𝑑

大統一?
インフレーション?

𝑵𝑹 ?

Higgs
𝑠, 𝜇, 𝑐, 𝜏, 𝑏

𝜈 ,𝜈(assuming 𝑚

𝑡

𝑒

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ニュートリノがマヨラナ粒子かどうか確かめることが、すごく重要
人類が予想している~

GeVの物理を垣間⾒る

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“ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊”)(
普通のベータ崩壊
反ν

𝒆

反ν
反ν
普通の
二重ベータ
𝒆
崩壊

𝑛

𝒆
𝑛

原子核

𝑛

普通のベータ崩壊がエネルギー保存で禁止されているような原子核で稀だけどたまに起きる。

𝒆
𝒆

反ν =ν
𝑛
𝑛

 ニュートリノがマヨラナ粒子である場合に起きる
 ニュートリノがマヨラナ粒子かどうか調べるのに、今の所、最も成功の可能性が高い この反応の起きやすさ ∝ ニュートリノ𝛽𝛽有効質量
ニュートリノの質量が小さいため、なかなか起きない 世界中で、これを発見しようと競争が繰り広げられている。
現在の世界記録は、カムランド禅実験: 寿命>𝟏𝟎𝟐𝟔 年

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カムランド禅
カムランド : 東北大学ニュートリノ科学研究センターがカミオカンデの場所に建設

Water

カムランド禅 : 液体シンチレータにキセノン(136Xe)を溶解

 2011年～ 2015年 : 320 ~ 380 kg

Buffer oil
Xe+
Liq.Sci.

Liq.Sci.

 2019年～ : 745 kg
 Active shielding by ultra-low background

liquid scintillator
 Pre-activity cut by timing information

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アクセル・キセノンガス検出器
0𝜈𝛽𝛽発見を目指して私も若者と一緒に新しい検出器の開発しています

プロトタイプ

83/86アクセル・キセノンガス検出器
0𝜈𝛽𝛽発見を目指して私も若者と一緒に新しい検出器の開発しています

プロトタイプ

1.8 MeV 電子の走った跡

2021年11月24日 by 中村和広
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ニュートリノを巡る未解決の問題群
 フレーバーと質量の混合行列の特徴、特にクォークとの違い
 質量の順番
クオークと同じように𝑚𝑚𝑚 か、あるいは𝑚𝑚𝑚 か？

 (クオークと同じように) CPは破れているのか？
 質量の絶対値 宇宙観測 マヨラナ粒子？

ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊

粒子=反粒子 (スピンの向きが違うだけ) クオークや、荷電レプトンに比べ、なぜこんなに軽いのか？
 物質反物質非対称の宇宙の起源？

＋大統一理論 LSNDとMiniBooNEのアノマリー (本当に３種類か？)* ただし、青色部分を完全に解決するには、もっと研究が必要
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ご視聴ありがとうございました

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