CeLAND: KamLANDを用いた
ステライルニュートリノ探索実験「ニュートリノフロンティア」研究会
２０１３年１２月８日
東北大学ニュートリノ科学研究センター
清水格

ニュートリノ実験におけるアノーマリー
原子炉

LSND

ガリウム
Gallium data using Frekers et al PLB11

MiniBooNE

51

Gallex Cr51

Gallex Cr51

SAGE Cr37

SAGE Ar

0.5

0.6

0.7
0.8
0.9
observed / expected

11.1

いずれのアノーマリーも1 eV程度のステライルニュートリノによって説明できる
ニュートリノ源

原子炉

ガリウム

LSND
MiniBooNE

宇宙論

対象

β崩壊

⌫¯e 欠損

電子捕獲

⌫e 欠損

静止状態での崩壊
短基線加速器

ビッグバン

有意さ

3.0σ
2.7σ

⌫¯µ ! ⌫¯e3.8σ⌫¯µ ! ⌫¯e3σ

有効世代数~2σm24世代混合の兆候s4３世代混合3m2newm2atm
大気21e

µm2J
太陽弱い相互作用をしないステライルニュートリノの証拠？？？

ステライルニュートリノ振動
MNS行列

U=

νe 消失

Ue1Uµ1
U 1Us1

Ue2Uµ2
U 2Us2

Pee = 1

Ue3
Uµ3
U 3
Us3

ニュートリノ世代数 3+1

Ue4
Uµ4
U 4Us4

νμ 消失
νμ → νxνe 出現
νμ → νe+3混合角

m214 >>

m212,m213|Ue4 |2, |Uµ4 |2, |U 4 |2

sin2 2✓ee sin2

m241
4E

sin2 2✓ee = 4|Ue4 |2 (1|Ue4 |2 )sin2 2✓µµ sin2

m241
sin2 2✓µµ = 4|Uµ4 |2 (14E|Uµ4 |2 )

νe → νxPµµ = 1+1Δm2Pµe = sin2 2✓µe sin2

νe出現 νμ → νem241
4Esin2 2✓µe = 4|Ue4 |2 |Uµ4 |21⇠ sin2 2✓ee sin2 2✓µµ4

νe 消失 & νμ 消失を要求

C. Giunti, arXiv:1311.1335

グローバル振動解析

νμ → νe10

νe → νx10

3+1 − GLO

3+1 − GLO
68.27% CL
90.00% CL
95.45% CL
99.00% CL
99.73% CL

68.27% CL
90.00% CL
95.45% CL
99.00% CL
99.73% CL+[eV2]+

126m 4126m 41[eV2]+短距離振動

10<310<210<110<110<21si n 22eµ()νe 出現を示唆

LSND
MiniBooNE
BNL-E776
KARMENNOMADICARUSOPERA

iµ DISie DIS

10<1L/E~
1 m/MeV+

13+1 − 3m
ie DISiµ DIS
DIS
APP

10<4

νμ → νx10<110<11

si n 22µµsi n 22ee()νe 消失を示唆
ReactorGallium1()

νμ 消失を示唆せず
CDHSW
MINOS
SciBooNE-MiniBOONE

ステライルニュートリノ探索
計画中のステライルニュートリノ探索実験
arXiv:1204:5379“Light Sterile Neutrinos: A White Paper”

２１の実験が計画中
ステライルニュートリノ振動の証明 or 排除
数年以内にいくつかの実験が開始予定
CeLAND実験もその１つもしステライルニュートリノが発見されたら...
- 標準理論を超えた素粒子（新フェルミオン）が存在することが示される
新しい素粒子模型の構築- 質量次第ではダークマターの候補となり得る (~ keV)
宇宙進化の理論にも大きな影響

これまでの原子炉実験の欠点(1) エネルギースペクトルの不定性が大きい (ILL実験)

Error (%)

ソース実験
(2) 炉心のサイズによって振動が平均化する(3) 原子炉付近でのバックグラウンド対策を要する

解決策

コンパクトかつ良く理解された単一核種のソース
Energy (MeV)
ソース +液体シンチレータ検出器
51Cr out Borexino

144Ce in/out KamLAND
144Ce in/out Borexino
144Ce out Daya-Bay

144Ce-144Pr 反ニュートリノソース
144Ce-144Prの利点(1) 144Ce 半減期: 285日
製作・運搬に十分な時間を確保(2) 144Pr β崩壊 Q値: 3.0 MeV
νe p エネルギー閾値 1.8 MeVγ⌫¯ep~ 200 µsec

prompt+e

低バックグラウンドのγ delayed 反ニュートリノ観測n γKamLAND
1000 ton液体シンチレータ検出器(3) 高強度 144Ce-144Pr
235U核分裂 → 144Ce:5%の収率

144Ce-144Pr強度: 50-100 kCi

高統計かつ低バックグラウンドの反ニュートリノ消失探索実験

144Ce-144Pr 反ニュートリノスペクトル
1.8 MeVE threshold
144Ce

144Pr

~50% of νefrom 144Pr

スペクトル形状の誤差（主にweak magnetism correction）は、144Pr β スペクトル測定によって縮小する予定

144Ceの生成

タングステンシールド（1.5トン）

γ線遮蔽(2 MeV) 10−13

75 kCi (2.77 PBq), 6 kg CeO2 (600 W)

144Ceの輸送方法
MayakKamLAND

1. 輸送容器の選定
B型容器

TN-MTR

23 tonJMS-87Y

2. 輸送ルートの短縮（高強度を維持）
ボストチヌイ港経由の船舶輸送を検討

18.5 ton

CeLAND Ce反ニュートリノソース

KamLAND

検出器中心から9.3 mの位置

反ニュートリノソース

ソース吊り下げ機構

ソース保持容器

1000トン液体シンチレータ
エネルギー分解能
位置分解能

6.4%/E(MeV)

12 cm/ E(MeV)~1 eV2 振動探索が可能

LSまでの距離2.5 m

144Ce-144Pr 強度測定
熱量計

144Ceソース (600 W) 水冷- ΔT = 40 K
- 水流 ~ 12 liter/h
短時間で熱平衡に到達
断熱 ~ 1 Wを実現するため、真空容器内にソースをケブラー

真空ロープで吊り下げる

ソース強度の不定性 ~1%

レートの較正は、高いΔm2の領域（> 3 eV2）で特に重要となる

144Ce-144Pr 信号
検出器中心から9.3 mの位置

75 kCi 144Ce-144Pr, 1.5 yr)
VeL (m)

EvM(is観測スペクトル振動パラメータ(global best-fit付近)

sin2 2✓ee = 0.1m241 = 2 eV2

エネルギー

距離

距離／エネルギー
約３周期分の振動に感度

感度予測
ニュートリノ振動パラメータに対する感度予測（95% C.L.）,-#.-/0!*1-)230"!-#*%45*6*,78*$*9-:(Δmnew² (eV²)

10

11>??
,&7?@A*&B.*%<C5*D(*E*"#.*%;*D(,&7?@A*&B.*%;C5*D(F-0&B"#-*,0G?HI*$>"1-1J&.
,&0# −7?0
G@KL*,0A3D3*F3D*,&*%5<<*M,"(GNI>IK

グローバル解析 (Reactor + Ga)
CeLAND OD (1.5 y, 50 kCi)
CeLAND OD (1.5 y, 100 kCi)
Borexino Cr
SNO+ Cr
SAGE 2
Daya Bay Ce (500 kCi)

−110−210−110sin²(2θnew)

1.5年の観測によってグローバル解析の振動解を検証

CeLAND Collaboration
Tohoku University (RCNS)
A. Gando, Y. Gando, S. Hayashida, H. Ikeda, K. Inoue, K. Ishidoshiro, H. Ishikawa, M. Koga, R. Matsuda,
S. Matsuda, T. Mitsui,D. Motoki, K. Nakamura, Y. Oki, M. Otani, I. Shimizu, J. Shirai, F. Suekane, A. Suzuki,
Y. Takemoto, K. Tamae, K. Ueshima, H. Watanabe, B.D. Xu, S. Yamada,Y. Yamauchi, H. Yoshida

IPMU
Osaka University
Colorado State University
Saclay, APC

A. Kozlov
S. Yoshida
B. E. Berger

M. Cribier, M. Durero, V. Fischer, J. Gaffiot, T. Lasserre, A. Letourneau, D. Lhuillier, G. Mention, L. Scola,
Ch. Veyssire, M. Vivier

LBNL, University of California (Berkeley)
T. Banks, D. Dwyer, B. K. Fujikawa, Yu. G. Kolomensky, T. ODonnell
P. Decowski

Nikhef
North Carolina Central University

D. M. Markoff

ITEP
V.N. Kornoukhov, T. V.M. Gelis, G.V. Tikhomirov, I.S. Saldikov
University of Hawaii
J. G. Learned, J. Maricic, S. Matsuno, R. Milincic
University of North Carolina
H. J. Karwowski
University of Tennessee
Y. Efremenko
University of Washington
J. A. Detwiler, S. Enomoto

６０名による国際共同研究（日・米・仏・露）まとめ• 原子炉、ガリウム、加速器、宇宙観測のいずれのアノーマリーも1eV程度のステライルニュートリノによって説明できる• 多くの短距離ニュートリノ振動実験が計画されている中でCeLAND
実験は迅速に実験開始が可能で、 示唆されている振動解をカバーする感度を持つ• CeLAND実験はKamLANDの正式なプロジェクトとして認められ、多くのコラボレータの協力が得られる- 2015年 or 2016年初頭に実験開始予定- 約1.5年の観測時間（~20,000 event）- 観測エネルギーが異なるため、KamLAND-Zenによる二重ベータ崩壊探索と両立する（地球ニュートリノ観測は休止）