62■研究紹介

T2K 実験の概要
KEK 素粒子原子核研究所

小 林隆

takashi.kobayashi@kek.jp
2009 年 8 月 20 日

はじめに以降相次いで報告されたニュートリノ振動実験の結果をま

T2K１は，茨城県東海村に新たに建設された大強度陽子加速器施設 J-PARC を用いてミューオンニュートリノ( n m )

とめると，


2
Dm23= 2.1  2.7 ´ 10-3 eV 2 ， 90%CL [2]sin2 2q23 > 0.92 ， q23  (45  8) ， 90%CL [3]

20.6
Dm12= 8.0-+0.4´ 10-5 eV2 ， 68 %CL [4]性質を解明することを目指す実験である[1]。5 年の建設期

2.4
q12 = (33.9-+2.2) ， 68 %CL [4]間を終え，2009 年 4 月，いよいよ実験が始まった。そこで

2
sin2 2q13 < 0.14 ， @ Dm13= 2.4 ´ 10-3 eV2 ， 90%CL [5]ビームを生成し，295 km 離れたスーパーカミオカンデ(SK)で検出，ニュートリノ振動現象を検出，精密測定すること
により，質量，フレーバー混合などニュートリノの未知のこれを機に T2K 実験を紹介する。今回は実験と実験施設の概要を，次号以降で個々の機器についてより詳細に紹介する。

で， q13 は上限値が与えられているのみ， d はまったくの未知である。レプトンにおける CP 対称性は，宇宙の物質反物質非対称性の起源のヒントを与える可能性があるため，ニュートリノ物理におけるもっとも重要な課題の一つとなっ背景ている。CP 非保存効果の測定量は sin q13 に比例するため，ニュートリノ振動はニュートリノの種類が飛行中に振動

将来 CP 非保存を検出するためのカギは q13 の大きさが握っ的に変化する現象である。ニュートリノの弱い相互作用固ている。このことから q13 の決定は緊急の課題となっており，有状態 nl (l = e, m, t ) が質量の固有状態 ni (i = 1,2, 3) の混合世界的な発見競争となっている。

状態æ öæ ö
çn1 ÷÷
ç ne ÷÷çççn ÷÷ = U çççn ÷÷÷÷MNS ç 2 ÷çç ÷÷ççç m ÷÷÷çèn t ø÷çèn 3 ÷ø÷T2K の目的T2K 実験のもっとも重要な目的は，未発見の振動モードである n m  ne 振動( ne 出現)を検出することにより，唯一であらわされ，かつ異なる質量固有値 mi を持つ場合に起こ未知の混合角 q13 の値を求めることである(この振動の確率る。ここで U MNS は Maki-Nakagawa-Sakata 行列と呼ばれるは sin2 2q13 に比例)。ビーム積分パワー 3.75 MW ´ 107 s 相当

ユニタリー行列で，四つの実パラメータを用いて以下のよのデータを用いて，sin2 2q13 に対してこれまでの実験より一うにあらわすことができる。

桁以上高い感度で探索する。T2K で ne 出現が観測にかかる0÷ö÷÷0÷÷÷÷÷1ø÷÷程度に q13 が大きければ，将来，増強された J-PARC からの

sij = sin qij , cij = cos qij , d は CP 非保存を表す位相である。

消失”の精密測定により，高精度でニュートリノ振動を検

æ10ç
ççç
UMNS = ç0 +c23ççèç0 -s230 ÷ö÷æç +c13
÷çç+s23 ÷÷÷çç 0÷ç
+c23 ø÷÷÷çèçç-s e id
130 +s13e -id ÷ö÷æç+c12÷çç
10 ÷÷÷çç-s12
÷÷çç0+c13 ø÷÷èç 0+s12+c120

ニュートリノ振動現象は三つの混合角 qij , CP 位相 d, 三つの2ij

2i2j

質量自乗差 Dm = m - m (そのうち独立なものは二つ)であらわされる。1998 年のスーパーカミオカンデ(SK)の発見

ニュートリノビームを用いて CP 非保存を検出できる可能性が拓ける。

T2K のもう一つの目的は，n m が振動により減少する“ n m2をそれぞれ 1%, 1 ´ 10-4 eV2 の精度で求証し sin2 2q23, Dm23めることである。q23 は 45 (full mixing)に近いことが分かっているが，理論的に full mixing である必然性はない。もし高い精度で 45 と一致すれば，未知の法則が働いているこ

１T2K 実験は 12 ヵ国，60 機関以上，400 人以上からなる国際共同実験。国内の参加機関は KEK，ICRR，大阪市大，京大，神戸大，東大，広島大，宮教大。とを示しているかもしれない。

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T2K 実験の特徴

磁石，超伝導複合磁場磁石で構成される一次陽子ビームラインを転送，神岡方向に約 80 曲げられ標的に導かれる。

T2K 実験のおもな特徴を以下に挙げる。
1.

超電導複合磁場磁石は KEK の超伝導低温工学センターで世界最大強度を目指す J-PARC[6]開発されたもので，加速器実験で本格的に使用されるのはJ-PARC 主リングの設計ビームパワーは 750 kW で，これは KEK-PS( 5 kW )の 100 倍以上である。生成されるニュートリノ数はビームパワーに比例するので，K2K に比べて二桁増しという圧倒的な強度，世界の他の施設(たとえばNuMI)に比べても 2 倍と世界をリードする強度を誇るニュートリノビームとなる。 n m  ne 振動は確率が小さいことが分かっており，発見のためにはとにかく大強度ビームの安定供給が必須である。
2.

世界初である。
標的は直径 26 mm, 長さ 90 cm のグラファイト棒で， Heガスで冷却される。標的で生成された p 中間子は 320 kA のパルス電流で運転される 3 台の電磁石ホーンで前方に収束され，崩壊領域に導かれる。崩壊領域は長さ約 110 m のHe ガスが封入された密閉容器で，大半の p 中間子はそこを飛行中に n m とミュー粒子に崩壊する。崩壊領域の終端部にはビームダンプがあり，ニュートリノ以外の粒子を吸収する。ビームダンプの背後には，Si パッド検出器およびイオ世界初の off-axis 法の採用後述するが，off-axis 法はニュートリノ生成ビームライン

ンチェンバーを二次元に並べたミューオンモニターが設置の軸を検出器の方向から数度ずらすことにより，シャープされ，ビームダンプを通過したミュー粒子の量，分布をスなニュートリノエネルギー分布をもった強いビームを作るピルごとに測定する。ニュートリノと同時に生成される方法である。そのピークを振動確率が最大になるエネルギーミューオンを測定することにより間接的にニュートリノのに合わせることにより，高感度低バックグラウンドを実現

方向，強度をモニターする。

できる。この手法がニュートリノ実験に適用されるのは世3.

T2K では世界で初めて off-axis ビームを採用する。これはビーム軸の方向を検出器(SK)の方向から数度ずらす方法

界初である。

である。角度 q ずらしたとき，ニュートリノエネルギーは世界最大の高性能ニュートリノ検出器 SK
総質量 50 kt, 基準質量 22.5 kt を誇る SK は世界最大である。かつ T2K のエネルギー領域である数百 MeV から 1GeV前後のニュートリノ検出，運動量測定，粒子識別( e / m )において優れた性能を有する。

E n = (m p2 - m m2 ) / {2(E p - pp cos q)} と表わされる。図 2 に見るように q が有限の場合， E n が親 p 中間子エネルギーにあまり依らなくなる。広い運動量範囲の p 中間子が狭いエネルギー領域のニュートリノに寄与するため，エネルギーの広がりが狭く，強いニュートリノビームを生成することがこれらの特徴を兼ね備えることにより，T2K は高い感度を実現することができる。

できる。T2K のビームラインは off-axis の角度を 2.0  2.5の範囲で選ぶことができるように設計されている。

T2K 実験のセットアップ

図 1：T2K 実験のセットアップ
図 2：Off-axis ビームの原理

T2K 実験のセットアップの概要を図 1 に示す。T2K のニュートリノ生成は， p 中間子の崩壊からのミューオン

右図は p 中間子の運動学をグラフにしたもので，横軸は親 p 中間子のエネルギー，縦軸は生成されるニュートリノのエネルギー，qはそれらの粒子の間の角度。

ニュートリノを用いるいわゆる conventional beam である。

J-PARC 主リングで 30GeV まで加速された陽子ビームは2n m  ne 振動確率のエネルギー依存性は Dm13で規定されキッカー磁石とセプタム磁石により，一周するうちにすべ

22 Dm23
 (2.2  2.7) ´ 10-3るが，これまでの実験から Dm13てとりだされる(速い取出し)。取出された陽子ビームは

eV2 と分かっており，このとき振動確率が最大となるエネ

598 ns 間隔の 8 個のバンチ２からなり全体で約 4.3 ms の幅をルギーは 600 MeV 前後となる。このあたりのエネルギー領14持つ(スピルと呼ぶ)。設計では，スピル当たり約 3 ´ 10 個域で感度を最適化するため 2.5 を選んで実験を行うこととの陽子が約 3.5 秒おきに取出される。陽子ビームは常伝導した。

２実験開始当初は 6 バンチ。

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期待されるニュートリノビームフラックスを図 3 に示す(MC)。 SK で期待される荷電カレント(CC)反応の数は
q = 2.5 で積分パワー 3.75 MW ´ 107 s の時，約 7200 個である(ニュートリノ振動がないとき)。OA 角 2, 3 度でピーク

ニュートリノ振動検出の方法
ここでは紙面の都合上 ne 出現についてのみ述べる。ne 出
現 の 証 拠 は ， SK に て ne の CC 準 弾 性 (CCqe) 反 応
ne + n  e - + p からの電子を検出することでとらえる。こエネルギーはそれぞれ 780 MeV と 520 MeV である。 n m スのエネルギー領域では CCqe が主要な反応である。二体反ペクトルのピークの位置で ne の割合は約 0.4 % である。

応であり，ニュートリノの方向を知っていることから，終標的から 280 m の位置には生成直後で振動前のニュート状態の電子の方向とエネルギーからニュートリノのエネルリノビームの性質を測定するための前置検出器がおかれる。

ギーを算出できる。主なバックグラウンドは，ビームに元々

前 置 検 出 器 は ビ ー ム 軸 上 (on-axis) に 設 置 さ れ る 検 出 器含まれている ne (intrinsic ne )と，n m 中性カレント p 0 生成反INGRID と，標的と SK を結ぶ直線状におかれる off-axis 検

応で p 0 崩壊からの二つの光子が作る電磁シャワーのうち一出器からなる。INGRID は 1.2 m ´ 1.2 m ´ 6.5 cm の鉄板 9 枚つを見落とす場合である。Intrinsic ne の起源は崩壊領域中“モジューとシンチレーター飛跡検出器 11 層を交互に重ねたで p 中間子から発生したミュー粒子がさらに崩壊して作るル”を水平方向に 7 台，垂直方向に 7 台，それぞれビームものと，標的で生成された K 中間子の崩壊とがある。

中心から 5 m の範囲をカバーするように配置したものであIntrinsic ne バックグラウンドは信号事象と事象形状がまっる。鉄板の中で発生した CC 反応からのミュー粒子をとらたく同じであるため識別することはできない。エネルギー

え，計数することによって，ビーム強度，プロファイルを分布が信号事象に比べ広いことを利用し，信号事象付近の測定，モニターする。Off-axis 検出器は CERN から寄贈さエネルギー領域のみ選択するカットで S/N を高めることがれた UA1 磁石の磁場中に全感知型シンチレーター飛跡検出できる。p 0 バックグラウンドは SK の標準的な PID アルゴ器，TPC，電磁カロリメータなどを並べたもので，SK に向リズムで電子として選ばれた事象からさらに p 0 ライクな事

かうニュートリノの数，エネルギースペクトル，電子ニュー象を除去するための解析アルゴリズムを開発している。SKトリノの混入率，ニュートリノ反応断面積の測定などを目で観測される事象数と，予想される信号＋バックグラウン的とする。

ド期待値を比較することによりニュートリノ振動を探索す(a.u.)

710(a)

Φνμ x σνμ°OA2(b)

6

OA0°

10νμ410(c)νe510OA2.5°310410OA3°

2る。現時点での予想値は 3.75 MW ´ 107 s のとき， intrinsic
バックグラウンドが 15， p 0 バックグラウンドが 10 事象，
対して信号事象は sin2 2q13 = 0.1 のとき 143 事象である。
信号およびバックグラウンドの期待値は前置検出器など

100123Eν (GeV)4020 2 4 6 8
4 6 8
ニュートリノエネルギー(ＧｅＶ）

図 3：期待されるニュートリノスペクトル(a) 各 OA 角の n m 反応スペクトル。(b) OA 角 2 度のときの n m フラックス(arb. unit)。実線は全 n m , 破線は K 粒子崩壊からの寄与。の情報を用いて求める。その基本的な方法は，前置検出器
Obs(E n ) を反応断面積で測定したニュートリノ反応数分布 N ND

sND (E n ) で割ることによりフラックス FND (E n ) を求める。これにフラックスの外挿ファクター R(E n ) をかけて SK で期実線から破線を引いたものが p 崩壊からの寄与。(c) OA 角 2 度の待されるフラックス FSK (E n ) を求め，これに水での反応断面ときの ne フラックス(arb. unit)。実線は全 ne , 破線は K 崩壊の寄与，積 sSK (E n ), 検出効率 eSK (E n ) をかけることで SK で期待され実線から破線を引いたものが m 崩壊の寄与。

T2K の主検出器である SK は昨年度エレクトロニクスシステムが刷新され，安定に稼働しており T2K ビームをいつでも受け入れ可能状態である。SK で観測されるニュートリノ反応の中から T2K のニュートリノ反応を識別するためには GPS を用いる。GPS では位置情報に加え時間情報も得られる(精度 100 ns )。東海でビームを出射した時刻を GPSで計測し，神岡までの TOF を加え SK に到着する時間を求め，その時間近辺の事象を探す。 4.3 ms 幅のビームを 3.5秒間隔で 5 年間( 5 ´ 107 s )送り続けたとき，偶然大気ニューる反応数分布が得られる。バックグラウンド事象数の予測
精度は 10% を目標としている。

フラックスの外挿
フラックスの外挿ファクター R(E n ) は，ニュートリノ源が純粋に点源であれば単純に定数(距離の二乗分の一)となるが，T2K の場合 280 m の位置にある前置検出器に対して点源として見えないため，エネルギーの関数となる。このファクターを精度よく評価することが実験成功の一つのカギとなる。

トリノの反応がビームの時間窓に 1 事象入る確率は 1% 以

このファクターはニュートリノの親粒子である p 中間子，下である。T2K では，ビームの時間情報をリアルタイムでK 中間子の生成時の運動量分布が分かれば算出できる。し神岡にネットワーク転送し，オンラインで時間窓選別を行

かし T2K の陽子ビームエネルギー 30GeV で T2K 標的物質う。

(炭素)からの中間子生成のデータが世の中に存在しなかっ65
た。ないなら実測しようということで，われわれは T2K 標数が設計強度の約 1% ( 4 ´ 1011 p )，バンチ数 1 である(エネ的と同じグラファイトからの中間子生成を測定するため，ルギーは 30GeV )。二次ビームラインでは，3 台のホーン

CERN の SPS 実験 NA61 を重イオン物理研究者らと共同提のうち最上流の第一ホーンのみ設置して調整を行った。前

案し，2007 年度パイロットデータを取得，現在解析が進行

置検出器は INGRID が中心の 1 モジュールが稼働，off-axis中である。また 2009 年夏本格測定を行っているところであ検出器は未稼働であった。4 月になり上流の加速器から順る。に立ち上げ，ニュートリノビームラインの調整を始めたのが 4 月 23 日。ビームは，一発(1 スピル)だけ出してはビー予想感度

ムを止め，ビームモニターなどの情報をよく吟味し，理解

図 4 に T2K の電子ニュートリノ出現に対する感度を示す。

し，それに基づいてビームラインを調整した後に次のスピPAC で認められた 3.75 MW ´ 10 s 相当のデータ(図中，右ルを出す，といういわゆるシングルショットモードで行っ側の縦直線)で，90%CL 感度で sin2 2q13 > 0.008 を探索可能，た。最初まず超伝導磁石を励磁せず上流部の軌道調整を行っ

7

約 0.018 以上であれば 3s 以上の有意性を持って電子ニューた。その後超伝導磁石を励磁した直後の最初のショットでトリノ出現を検出することが可能である３。この到達感度はビームが一次ビームラインを通過して標的まで到達した。

背景事象数の系統誤差 10% を仮定したときのものであるが，このショットで初めてミューオンモニターで信号が確認さこの統計量では 20% を仮定してもほとんど同じ感度である。

れ，ニュートリノ生成を間接的に確認することができた。

言い換えれば T2K は統計量，すなわち加速器の積分ビーム引き続きビーム調整を進め，9 ショット目でほぼ標的中心パワーで決まる実験ということである。にビームを照射することができた。その後もおおむね順調に進み，4 月，5 月の 9 日間のコミッショニングで予定していたコミッショニングのメニューアイテムをほぼこなし，5
月 28 日には晴れて放射線に関する施設検査をパスすることができた。詳細は別途報告があると思うのでそちらを参照
されたい。

今後
夏の加速器定期シャットダウン中に残りの第二，三ホーンを設置し４ ，10 月以降，完成形のビームラインでビームコミッショニングを再開する。INGRID 検出器は残りのモジュールの設置が終わり 10 月には ready となる予定である。

Off-axis 検出器は 9 月以降設置作業が本格化し 12 月には完
図 4：期待される ne 出現の感度の積分ビームパワー依存性国際競争成する予定である。

T2K の最初の目標は O(100 kW ´ 107 s) 相当のデータを蓄積し，2010 年中にこれまでの上限値を凌駕する世界最高感

世界で有限な q13 測定を目指して建設中の実験は，原子炉度の探索を行うことである。100 kW ´ 107 s のとき(図 4 中，からの反電子ニュートリノ消失実験の Double Chooz(仏)，左側の縦線)に予想される感度は sin2 2q13 = 0.06 前後である

Daya Bay(中)，RENO(韓)，加速器実験の NOnA (米)があ( 90%CL )。その次のマイルストーンは 1  2 MW ´ 107 s 辺る。Double Chooz は 2010 年測定開始を目指して準備を進りになると予想される。このとき図 4 に見るように最終感めている。 NOnA は 2009 年 5 月着工，2013 年中の完成を度の約 2 倍程度まで探索可能で，その辺りまでの測定から，目指している。競争は激しくなっており，世界に先駆けてその後の様子(兆候など)がかなり予想できそうだからであ

有限な q13 を検出するためには，J-PARC 加速器の安定な大る。最終的な目標は PAC で認められた 3.75 MW ´ 107 s 相当

強度運転の早期実現が必須である。のデータを蓄積し， ne 出現を発見すること， n m 消失測定にコミッショニング2) £ 1 ´ 10-4 eV 2 を達成するこ
おいて d(sin2 2q23 ) £ 1%, d(Dm23とである。

T2K 実験は 2008 年度中に完成し，2009 年 4 月からいよいよ実験を開始した。4，5 月に行われた最初のビームコミッ
ショニングでの典型的なビーム条件は，バンチ当たり陽子
３sin2 2q13 の感度は d に依存。これらの値は d = 0 の場合。

４8 月 17 日現在，第二，第三ホーンとも設置済み。

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さいごに
T2K は，これまで，ここでは到底挙げきれない多くの方に，ご支援，ご協力をいただき，ようやく実験開始にこぎつけることができました。この場をお借りしてお礼申し上げます。ありがとうございました。
が，しかしながら，実験は始まったばかりで，一日も早く世界に先駆けて実験の成果を上げるためには加速器の早期大強度実現を始め，まだまだこれからも皆様の強力なご支援が必要と思います。今後もよろしくお願いいたします。

引用文献
1. http://j-parc.jp/NuclPart/pac_0606/ pdf/
p11-Nishikawa.pdf.
2. M. Diwan, Presentation at XIII Internional Workshop on“Neutrino telescopes”, Venice, Italy, March 2009.
3. SK. Collab., Phys. Rev. D71, 112005 (2005).
4. Review of Particle Physics (2008).
5. M. Apllonio et.al. (Chooz collab.), Phys. Lett. B466, 415(1999).
6. J-PARC 加速器の最近の状況に関しては，
吉岡正和，高エネルギーニュース 28-1, 26 (2009).