49■研究紹介

長基線ニュートリノ振動実験 OPERA における t ニュートリノ検出
名古屋大学大学院理学研究科

佐 藤

修，中 野

敏 行，中 村光 廣

on behalf of OPERA 実験グループ
2010 年 8 月 6 日

1.

はじめに

ち な み に 現 在 の nm  nt 振 動 パ ラ メ ー タ の 値 はニュートリノ振動とは 3 種類のニュートリノフレーバー

NEUTRINO-2010 会議において SK による L/E 解析から間で相互に化けあう現象である。フレーバー間のニュート

0.14
Dm 2 = 2.19-+9.13´ 10-3 eV2, sin2 2q = 0.96(90%CL), 加 速 器

リノ振動は 1962 年，牧・中川・坂田により初めて理論的にニ ュ ー ト リ ノ ビ ー ム 実 験 の MINOS[5-b] よ り

議論された[1]。

0.11
Dm 2 = 2.35-+0.08´ 10-3, sin2 2q = 0.91(90 %CL) と の 最 新ニュートリノが質量 15  65 eV を持つ宇宙のダークマターである [2] と信じて， われ われが CHORUS 実験 [3] でn m  n t のニュートリノ振動探索( Dm 2 = 50 eV2 で sin2 2qの感度最大)を始めたころ(1994 年)に Kamiokande による
大気ニュートリノ異常が報告された[4]。その後 1998 年にSuper Kamiokande(SK)により大気ニュートリノ振動報告がなされた[5-a]。SK で測定されたニュートリノ振動パラメ
ー タ は

-4

5 ´ 102-3

2< Dm < 6 ´ 10 eV ,2

sin 2q > 0.82

(preliminary)結果が報告されている。

2.

背景

基本粒子である t ニュートリノが実験的に初めて検出されたのは比較的最近(1998 年)のことである。理由は検出の困難さにある。
まず第一に， t ニュートリノを検出するためには大量の
t ニュートリノが必要となるが，そもそも t ニュートリノ

(90%CL) と CHORUS で探索していたパラメータ領域とはは作ることが難しい。t ニュートリノ源としては，DS 粒子

全然違うので大変なショックを受けた。CHORUS は最終的を生成し DS  t + n t 崩壊を利用する。これで t ニュートに 20 万反応を解析したがニュートリノ振動の証拠は得ら

リノを約 5% 含むニュートリノビームを作ることができる。

れなかった。

残りの 95% は m ニュートリノと電子ニュートリノが半々さて，ニュートリノ振動の検出方法は大きく 2 種に分類で構成される。DS 粒子は陽子ビームとターゲットとの衝突される。振動して化けたニュートリノの出現を捉えるもの

で少量しか生成することができず，大量の DS 粒子を生成す(アピアランス法)，元々あったニュートリノが振動して他るには高エネルギーの陽子ビームが必要となる。

のフレーバーに化けることによる flux の減少を捉えるもの第二に， t ニュートリノの同定は，その CC 反応で生成(ディスアピアランス法)で SK での大気ニュートリノ振動

された t 粒子の崩壊を捉えることでおこなうが， t 粒子は

報告は後者に相当する。

寿命 0.29 ps(ct = 87 mm) で崩壊するので，この短寿命粒子

アピアランス法ではニュートリノの CC 反応を利用して振動後のニュートリノフレーバーを同定し，どのフレーバを捉える能力とニュートリノ標的をまかなう質量とを両立した検出器でなければならない。

ーからどのフレーバーに化けたかを実験的に明らかにする。

t ニュートリノを初検出した DONUT 実験(Fermilab

ディスアピアランス法では flux 減少の理由を未知の物理過

E872)では，TEVATRON の 800GeV/c 陽子ビームで t ニ

程を含めたすべての可能性を排除する必要があるのに比しュートリノビームを作り，また，チャーム粒子を初検出して，アピアランス法では振動後のフレーバーを押さえるこた実績[6]を持つ Emulsion Cloud Chamber(ECC)技術を用とで明確なニュートリノ振動の証拠とする。

いることで，これらの困難を克服した[7-a]。DONUT は名OPERA 実験はフレーバーを同定してのアピアランス法

古屋大学が中心におこなった実験で最終的に t ニュートリにこだわり，ディスアピアランス法により示唆されている

ノ反応を 9 個同定した[7-b]。これらはすべて名古屋大学でn m から n t へのニュートリノ振動を直接検出する。また n t

検出し解析された。

反応が観測された場合，世界初のレプトンフレーバーバイ
オレーションの直接観測となる。

この経験を元に，OPERA 実験は 1997 年に丹羽(現，名古屋大学名誉教授)のリーダシップの下で名古屋大学を中心に立案された[8-a]。OPERA の共同研究体制はおもにわ

50
れわれ日本グループとイタリアを中心としたヨーロッパグ

1 ミクロンの位置精度が必要な部分は OPERA フィルム

ループからなり，12 ヶ国，33 大学・機関，180 名で構成さが担当し，どの ECC でイベントが起きたかが分かる程度のれている。ヨーロッ パグ ル ープは ，わ れ われと 一緒に位置精度( 1cm 程度)の部分はシンチレーターバーで構成

CHORUS に携わってきた気心の知れているメンバー，およされる Target Tracker(TT)で位置を保証する(図 1)。

び NOMAD 実験，MACRO 実験をおこなってきた研究者である。日本グループは名古屋大学，愛知教育大学，東邦大
学，神戸大学，宇都宮大学からなり，原子核乾板(OPERAフィルム)の準備，イタリア・グランサッソ実験場(LNGS)
での OPERA フィルムのハンドリングシフト，および日本での OPERA フィルムスキャン，イベント解析を担当している。
解析イベント数の半分を日本グループが，半分をヨーロ
ッパグループが担当している。ちなみに OPERA の名称はOscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus の大文字を取ったものである。「Emulsion」は直訳すると乳剤であるが原子核乾板のことである。OPERA が原子核乾板技術により成り立っている実験であることを表現している。

3.

OPERA 検出器
t ニュートリノをアピアランス法で検出するためには，

その CC 反応で t 粒子を生成させなければならない。 t 粒子を生成するには最低でも 3.5GeV 以上のエネルギーが必要である。OPERA では平均 17 GeV の m ニュートリノビー
ム (n m 97 % : n m 2.1% : ne + ne 0.9%) を CERN の SPS で生成
し，730 km 離れたイタリアのローマ郊外にある LNGS に向け て 照 射 す る 。 nm  nt の 振 動 パ ラ メ ー タ がDm 2 = 2.5 ´ 10-3 eV2 , sin2 2q = 1 の場合に期待される振動

確率は 2% 弱である。

CC 反応で t 粒子を生成するのにエネルギーを上げる必要があり，ニュートリノ振動のピーク(E/L)には合っていない。730 km 飛行させても検出されるものはほとんどが m
ニュートリノ反応であり，これらゴミ反応の中から宝モノ反応を探す。

OPERA の ECC は，はがき大の原子核乾板(OPERA フィルム)と 1mm 厚の鉛とのサンドイッチ構造で構成される。

OPERA フィルムは，厚み 0.2 mm の透明ベースの両面に44 mm 厚の原子核乾板乳剤が塗布されており，荷電粒子の図 1．OPERA 検出器，基本単位(ECC と TT)
上図：OPERA の ECC は OPERA フィルム厚み約 0.3 mm の 57 枚と 1 mm 厚の鉛プレート 56 枚のサンドイッチ構造で，重さ 8.3 kg
である。
下図：それぞれの ECC の下流面には取り外し可能の Changeable
Sheet(CS)が取り付けられている。その後ろに読み出しピッチ
2.6 cm ，厚み 1 cm のプラスチックシンチレーターバーからなる
Target Tracker(TT)，X,Y プロジェクションで構成される。

飛跡情報(場所，角度の 3 次元)を乳剤中に記録する。57 枚の OPERA フィルムと 56 枚の鉛で 1ECC (8.3 kg) を構成し，

OPERA 検出器自身も ECC と TT のサンドイッチ構造を

アルミのフレームで締め付けることでフィルム間の位置をしている。図 1 の ECC と TT の組を 1 単位として 31 単位保持する。鉛でニュートリノ反応を起こさせ OPERA フィ

をビーム方向に重ねることでターゲットモジュール(図 2，

ルムで荷電粒子の飛跡をトラッキングしイベントを再構成

写真の黒い部分)を構成する。 TT はビーム方向から見てする。つまり「Emulsion tRacking」である。1ECC の物質

6.7 m ´ 6.7 m の面積をカバーする[9]。その後ろの m スペク

量は 10 radiation length, 0.33 interaction length であり，こトロメーターで m の運動量と電荷を測定する。ターゲット

れを利用して ECC のデータにより電磁多重散乱による 2モジュールと m スペクトロメーターの組の 2 セットで次粒子の運動量測定，電子同定(エネルギー測定)，ハドロ

OPERA 検出器となり，総重量 1.25 kton, 総計 15 万個のンの同定をおこなう。

ECC がニュートリノを待ち受ける。OPERA は，この ECC

51
標的に総計 22.5 ´ 1019 POT 相当のニュートリノを照射，約

日本担当のイベント(全体の半数)の CS は，名古屋大学

24,000 反応を蓄積する。その中から t ニュートリノ反応をに輸送されスキャンされる。ヨーロッパ担当のイベントの探索・同定する実験である。 n m  n t 振動パラメーターがCS は現地 LNGS のスキャンラボでスキャンされる。

2

-3

2

2

Dm = 2.5 ´ 10 eV , sin 2q = 1 の場合，最終的に t ニュートリノ反応の同定数は 10 個を期待している。

われわれの武器は原子核乾板に写っている飛跡を顕微鏡下で超高速で読み取る装置(Track Selector，TS)，およびその運用技術である[11]。丹羽が 1972 年に飛跡認識原理の構
想・提案した自動飛跡読み取り装置を中野が現実のものとした。CHORUS(1994 年)で本格稼動し，DONUT(1997 年)
で大量の飛跡と格闘しながらトラックセレクターの高速化を推し進めてきた。現役機の SUTS(Super Ultra TS)は50 cm 2/h/台 のスキャンスピードであり，DONUT で使われた旧来機の 50 倍に相当する。Track selector の高速化は留まるところを知らず，現在も中野による次世代機の開発が進んでいるがその話は別稿に譲る。名古屋大学では現在
50 cm2/h/台 ´ 4+20 cm 2/h/台 ´ 1 で総計 220 cm 2/h のスキャ

ンスピードで運用している。LNGS では 20 cm2/h/台 ´ 8台,
総計 160 cm 2/h のスキャンスピードで運用している。

CS で飛跡を探索するためのスキャン面積は，m がついているイベントの場合は TT の情報から場所が限定できて4 ´ 4 cm 2 程 度 ， m な し イ ベ ン ト の 場 合 は は が き 大 のOPERA フィルムのほぼ全面( 12 ´ 10 cm2 )である。CS は地下で作られ地下で現像されるため，検出される飛跡は地下1400 m の LNGS で蓄積された飛跡のみである。つまり基本的にニュートリノ反応で生成された荷電粒子のみとなる。
唯一の例外は地下 1400 m まで貫通してきた宇宙線であるが，OPERA 検出器では宇宙線の飛跡も再構成しているのでニュートリノ反応の飛跡と分別することができる。
図 2．OPERA 検出器
上図：OPERA 検出器の写真。左からニュートリノビームが照射される。ターゲットモジュールの後方に m スペクトロメーターが設置されており，これらの 2 セットで OPERA 検出器を構成する。

検出器から取り出された CS に写っている荷電粒子の本数は，一部の電磁シャワーを起こしているニュートリノ反応を除くと数本である。しかし CS を SUTS でスキャンす

総重量 1.25 kton の ECC と反応を起こしたものが解析対象である。

ると，低エネルギーの環境放射線による飛跡などのために

下図：標準的な n m CC 反応の TT イベントディスプレーの 1 例。

1CS あたり 108 本もの大量のバックグラウンド飛跡が読み

光信号を捉えた TT および m スペクトロメーターの RPC の信号を出される。大量のバックグラウンド飛跡の中からの本物の黒い点として表示。上図(写真)同様に横(Y)から見たものに対応。

飛跡の選び出しに関しては参考文献[10-b]を参照されたい。

ニュートリノ反応点からの m が OPERA 検出器を貫通している。
ちなみに，この m は負電荷で運動量は 10 GeV/c である。

CS でニュートリノ由来の飛跡が見つかれば ECC 内での反応点検出工程に移る。ECC 本体を LNGS で現像し，名古4.

ニュートリノ反応点探索

ここでは実際のニュートリノ反応の解析を説明する。

CERN からのニュートリノはバンチ構造をしており，ビー
ム照射と同期した反応がビームイベントとして記録される。

TT の信号を再構成し，ニュートリノ反応が発生した可能性の一番高い ECC を検出器より取り出す。最初に，ECC の最下流に取り付けられている OPERA フィルム 2 枚からな
り，TT と ECC 本体の橋渡しをするインターフェース役のフィルム（Changeable Sheet, CS と呼ぶ[10-a]）のみを LNGSの地下で現像する。

屋大学に輸送する。(ヨーロッパ担当イベントのものはヨー
ロッパの 7 大学のスキャンラボに送られる。) もし CS ス
キャンの結果，その CS に飛跡がないことが確認された場
合は，2 番目にニュートリノ反応が発生した可能性の高いECC(主に 1 番目 ECC の隣)を検出器から取り出して，ニュートリノ反応が起きた ECC の同定工程を続ける。反応が起きていないと判断された ECC には新しい CS を取り付けて，検出器に戻す。

ECC には OPERA フィルム間のアライメントを取るために 2 種類の工夫をしている。その 1 は ECC の横からスリッ52
トを通して X 線を照射することで，フィルムの端の同じ位ある。図 4 にモンテカルロシミュレーションにより期待さ置に太さ約 50 ミクロンの線を焼き付け，フィルム間のアラれる t ニュートリノ反応で生成された t 粒子の娘粒子のニイメント精度約 20 ミクロンを保証している。その 2 は宇宙ュートリノ反応点に対する IP 分布および反応点からの 2 次線を照射することでサブミクロンのアライメント精度を保粒子による IP 分布を示す。図 4 右図の黒点がデータである。

証している。

図 4 より t の娘粒子 IP の平均値が ct = 87 ミクロンにほ

CS で捉えたニュートリノ反応からの飛跡を ECC 最下流

ぼ一致し，ニュートリノ反応の 2 次粒子と綺麗に分離できのフィルムから上流に向かって追い上げていき，その飛跡るのが分かる。2 次粒子の IP 分布の裾野は約 10 ミクロンが消えたところをニュートリノ反応点候補とする。

程度まで伸びている。これは飛跡の位置精度，角度精度に

ニュートリノ反応点の同定および次章の崩壊探索のために反応点候補の周辺の 1cm 2，上流側に 2 枚，下流側に 6 枚よるものではなく運動量が低いトラックが鉛中で電磁多重散乱されたことで説明される。

の OPERA フィルムをスキャン(ボリュームスキャン)することでニュートリノ反応からの全荷電粒子の飛跡情報を捉え，ニュートリノ反応をサブミクロンの精度で再構成する。

5.

崩壊事象探索ニュートリノ反応解析は 2008 年の照射分より本格的におこなっており，ECC 中に同定したニュートリノ反応数は
日欧で約 2,200 である(2010 年 8 月 6 日現在)。
図 4.

t 粒子の寿命は 0.29 ps(ct = 87 mm) であるが OPERA のエネルギーで生成される t 粒子はニュートリノ反応を起こした鉛プレート中で崩壊するものが 7 割，その鉛から出てきて崩壊するものが 3 割である。飛距離から前者を SHORT
フライト崩壊，後者を LONG フライト崩壊と呼んで区別している。SHORT フライト崩壊の場合は t 粒子の飛跡を直接見ることはできないので，崩壊娘粒子のニュートリノ反
応点に対する Impact Parameter(IP)でイベントを選別する。

LONG フライト崩壊の場合は t 粒子自身の飛跡および娘の飛跡を捉え，崩壊点の再構成をおこなう(図 3)。
崩壊事象探索ではまず，ボリュームスキャンデータより再構成された飛跡のそれぞれについてニュートリノ反応点
に対する IP を計算する。IP の大きなものが興味の対象で

Impact Parameter 分布

右図のヒストグラム(expanded scale 矢印)は左図の t ニュートリノ反応(MC)の IP < 100 mm までを拡大したもの。 m ニュートリノ
反応の 2 次粒子による実際のデータ(右図黒点)の裾野は 10 mm 程度までで t の娘を綺麗に分離することが出来る。

10 < IP < 500 mm の飛跡を t の娘候補として選別し，その飛跡を人が顕微鏡下で直接確認(マニュアルチェックと呼ぶ)して，IP が大きくなっている理由を特定する。IP が大きくなる理由は次の二つに分類される。

1.

実際に崩壊様式である。

2.

鉛による電磁多重散乱(MCS)である。

MCS のために IP が大きくなっているかどうかは，飛跡の運動量を測定し，その運動量で期待される IP の分解能と比較することで検証する。トポロジー的に候補として残ったものは，ハドロン 2 次反応などの物理的バックグラウン
ド事象を排除するために運動力学的なセレクションカット
を施され，最終的に生き残ったものが t 崩壊候補となる。
また， t の崩壊探索の検出効率を検証するサンプルとしてチャーム粒子崩壊探索も t 崩壊探索と同時におこなっている。チャーム付反応の期待値 16.0  2.9 個に相当するサブサンプルの解析で 20 個のチャーム付 m ニュートリノ反応を同定している。統計は少ないが， t 粒子検出効率は t とほぼ同じ寿命を持つチャーム粒子検出の実際のデータで検証されている。

2010 年 8 月 6 日現在，日欧で ECC 中に検出した約 2,200
図 3.

OPERA での t ニュートリノ反応(概念図)

OPERA フィルムはベース材の両面の乳剤層(有感層，図の黒点で示された箇所)で荷電粒子の飛跡の場所，角度情報を記録している。

ニュートリノ反応に対して崩壊探索が終了したのは 1,622
反応である。この内，2010 年 5 月までに完了した 1,088 反応( t ニュートリノ同定期待値 0.54  0.13 )に関してコラ53
ボレーションとして公式にまとめた。その中に 1 例の t ニ

細に飛跡ごとに分析した結果(図 7 参照)，この反応に m 粒ュートリノ反応候補を検出し，論文にまとめ報告している

子は付いていないと結論した。ちなみ 2 番トラックは飛程[12]。

と運動量の測定から陽子と同定した。

6. t 崩壊事象候補
現在，われわれの持っている 1 例の t ニュートリノ反応
候補[12]を紹介する。CS で捉えた飛跡(図 5 の 8 番トラック)を上流に追い上げて止まったフィルム(図 5 の PL19)を解析したところ角度差 41  2 mrad の親候補(図 5 の 4 番トラック)が検出され，7 本の 2 次粒子からなるニュートリノ反応が再構成された。つまり LONG フライト崩壊である。崩壊
娘候補は MCS から運動量 P = 12-+36 GeV/c と測定され，親と娘候補からなる折れ曲がり崩壊の横向き運動量 Pt は230
470-+120
MeV/c であった。

折れ曲がり点(図 5 中の kink point，以下崩壊点と呼ぶ)の上流側および下流側の OPERA フィルム(PL19, PL20)を詳細に確認してハドロン 2 次反応の証拠となる原子核の破砕粒子(その飛跡の濃さから BLACK と呼ぶ)がないことを確認している。

図 5.

t ニュートリノ反応候補の飛跡

左から右方向にビーム軸(Z)。8 番トラックが t 崩壊の娘である。
娘候補およびすべての 2 次粒子は下流に向かって決着がつくまで追いかけられた。

図 6.

t ニュートリノ反応候補の TT イベントディスプレー

左から右方向にビーム軸(Z)。TT の信号は X, Y それぞれ 2.6 cm のピッチで読み出される。上図が OPERA 検出器を上から見たもの(X)，下図が横から見たもの(Y)である。約 10 cm ´ 8 cm の淡色(緑)の四角が ECC１個を表し，それぞれの ECC 直後の黒いバーの Z
方向への長さがその TT バーで検出された光量(エネルギー)を表現している。濃色(ピンク)の四角が反応の起きた ECC である。この反応は 2009 年 8 月 22 日に発生したものである。

図 7.

t ニュートリノ反応候補の 2 次粒子追い下げ

左から右方向にビーム軸(Z)。 t 候補の娘粒子(8 番)を 7 個下流のECC まで追いかけ，その ECC 中でハドロン 2 次反応を起こしていることを確認。図中直線で描いてあるものが追い下げられたトラック。
全 2 次粒子に関してハドロンと結論している(本文参照)。

娘候補は下流に向かって追いかけられ 7 個下流の ECC 中で2 次反応を起こしていることを確認。つまり娘粒子はハド

また反応点近傍の詳細解析の結果，2 個のガンマ線が確ロンであることが同定された。同様に他の全 2 次粒子は下認された(図 8 参照)。g1 は明らかに崩壊点から放出されて流に向かって追いかけられた。この内，1 本(3 番トラック)

いて，崩壊点に対する IP は IP = 7.5  4.3 mm, (IP が観測さは 5 個下流の ECC で 2 次反応を起こしておりハドロンと同れた値以下である確率が分解能で期待される分布の 32%定。5 番トラックは 2 個下流の ECC まで追いかけ止まって相当)，ニュートリノ反応点に対する IP は IP = 45  7.7 mm

いることを確認。それ以外のものはニュートリノ反応を起で確率 10-3 以下である。 g 2 はエネルギー (1.2GeV) が低くこした ECC 中で止まっており，飛程と運動量の測定により電子対生成された鉛中での多重散乱で方向決定精度が落ち

CC 反応の m である可能性は 10 以下と断定した。つまりる。また電子対生成点が崩壊点およびニュートリノ反応点

TT のイベントディスプレーでの判断(図 6 参照)，および詳より離れている (約 1.3 cm) ために IP の分解能が悪くなっ

-3

54

図 8.

t ニュートリノ反応候補の飛跡データ

左から右方向にビーム軸(Z)。また，折れ曲がりが見やすいように縮尺を調整してある。8 番トラックがτ候補の崩壊娘である。
25て い る 。 g 2 の 崩 壊 点 に 対 す る IP は IP = 22-+22mm(確率 82 %) である。一方 g 2 のニュートリノ反応点に対するIP は IP = 85  38 mm(確率 10%) であり，IP の分解能の制限により g 2 はニュートリノ反応点から来ている可能性も

図 10.

ビーム軸と垂直な平面での運動量バランス

ここで t 候補の運動量の大きさは娘粒子， g1 ， g 2 の運動量からなるベクトル和の大きさを用いた。

排除はできない。
折れ曲がり点から g 線が放出されており Pt が 300 MeV
を超えているという 10 年以上前のプロポーザル[8-b,8-c]に記した t 候補のセレクション条件の主要部分を満たすものである。

その他の運動力学的測定量を t ニュートリノ同定のセレクション条件とともに表１に記す。
これらのすべての測定量が t ニュートリノ反応同定のセ

ちなみに，この 2 個のガンマ線で質量を組ませるとレクション条件を満たしており， t ニュートリノ反応候補

M = 120  20(stat)  35(sys)MeV/c 2 となり p 0 の質量と矛となった。このセレクション条件は OPERA プロポーザル

盾しない。また崩壊娘候補のハドロンと h + g1 + g 2 として[8-b,c]に基づいており 10 年以上前に決められたものである。

125 +1002
質量を組ませると M = 640-+80-90 MeV/c となり r の質量と矛盾しない。
-

-

-

-

0

つまり t  r + n t , r  p + p として無矛盾である。
図 9 にビーム軸から見た飛跡の分布および図 10 にビーム軸から見た運動量のバランスを示す。 t 候補と他のハドロンからなるハドロン軸はほぼ真反対(173 度)を向いており，

またすべての飛跡の運動量が測定され，本イベントの観6.2測されたエネルギーの総和は 24.3-+3.2
GeV である。

表 1.

t ニュートリノ反応候補の運動力学的測定値

t ニュートリノ反応同定セレクション( t  h モード)は OPERA
プロポーザル[8-b,c]に基づいたもので 10 年以上前に決められたもので，データを見る前に決めたブラインドセレクションである。

t ニュートリノ CC 反応の時に期待される描像どおりの顔つきをしている。

運動力学的
パラメータ
折れ曲がり角 (mrad)

測定値

> 20

41  2鉛 2 枚以内1335  35

>2

+6
123

> 300 崩壊点由来のg 検出の場合> 600 上記以外

+230
470120ビーム軸と垂直な平面上運動量バランス
missing Pt (MeV/c)< 1000570-+320170t 候補とハドロン軸
のなす角
(度)

> 90

173  2t 候補の飛程(mm)

崩壊娘粒子運動量(GeV/c)
崩壊横向き運動量 Pt(MeV/c)

図 9. t ニュートリノ反応候補の飛跡データ(ビーム軸から見た図)t ニュートリノ反応
同定セレクション条
件 ( t  h モード)55
さて，このイベントに対する主なバックグラウンド源はび横向き運動量の分布がモンテカルロシミュレーションと2 種類ある。 t の崩壊に見えているものが，実はハドロン一致することを確認している。エネルギーは 4 GeV 単色での 2 次反応という場合と，実はチャーム粒子の崩壊というあるが，t  h + n p 0 + n t 探索に比べ 18 倍の総トラック長場合である(図 11)。

でデータとモンテカルロシミュレーションの整合性が統計
誤差の範囲で証明されている。
バックグラウンド源 2
チャーム粒子崩壊である可能性。 m ニュートリノが CC反応でチャーム粒子を生成し，1 次反応点の m 粒子が検出されなかった場合，または m 粒子の同定に失敗した場合がこれに相当する。この場合チャームが t と同様，折れ曲がり崩壊または荷電粒子 3 本に崩壊する場合がバックグラウ
ンド源となる。 m の同定効率は， m つきニュートリノ反応
数と m なしニュートリノ反応数をデータとモンテカルロシ
ミュレーションでクロスチェックすることで確認している。
また， m つきニュートリノ反応のチャーム粒子崩壊探索でチャーム粒子崩壊の検出効率を検証している。モンテカル
ロシミュレーションによるチャーム粒子崩壊起因のバックグラウンド数は 0.007  0.004 反応である。
今回の 1 例の t ニュートリノ反応候補がバックグラウン
ド事象として説明される確率は 1.8 %, 統計的な有意性は

図 11.

t  h モードのバックグラウンドt  h モードのバックグラウンド事象は主に n m NC 反応で 2 次粒子(図の上の h)がハドロン 2 次反応を起こしたものと n m CC 反応のチャーム粒子(図の下の D)つき反応でニュートリノ反応点から放出されている m 粒子の同定失敗による。

2.36s 相当になる。また今回の候補は t  h 崩壊モードで検出されたが，その他のモードも考慮して全探索崩壊モードに対するバックグラウンド期待値は 0.045  0.020 である。
偶然，バックグラウンド事象が t  h 崩壊モード様に出たのだと解釈して，今回の候補がバックグラウンド事象とし

以下，それぞれのバックグラウンドについて説明する。
バックグラウンド源 1
ハドロンの 2 次反応である可能性。ニュートリノが NC
反応を起こし，2 次粒子のハドロンが短距離(飛程が鉛 2 枚て説明される確率は 4.5% で統計的な有意性は 2.01s 相当の観測になる。

7.

まとめと展望以内)でハドロン 2 次反応を起こし，2 次反応点から 1 本のOPERA はわれわれにとってゼロから築き上げた手作り

飛跡しか確認できない場合はこれに相当する。解析完了イの実験である。Kamiokande の大気ニュートリノ異常を受ベント数に対するバックグラウンド反応数のモンテカルロ

け n m  n t 振動をアピアランス法で検証すべく立案し，実シミュレーションによる見積りは 0.011 反応である。

験に使用する原子核乾板も富士フイルム株式会社と共同でモンテカルロシミュレーションとデータとの整合性の確認は，実際に OPERA で検出したニュートリノ反応の 2 次粒子のハドロンを追いかけ，横向き運動量の大きなハドロ
ン 2 次反応で折れ曲がり崩壊様に観測されるものの発生率を測定することでおこなっている。
「総トラック長＝追いかけたハドロントラック数×追い開発した[13]。大量生産された OPERA フィルムは，大学院生を中心に研究室の構成員が一丸となって 3 年かけてリフ
レッシュ処理をおこなった。その OPERA フィルムが LNGSの現地地下で OPERA 検出器に組み上げられ，今まさに物理結果の出始める時期を迎えている。紙面の関係上，この記事では説明出来なかった OPERA フィルムのリフレッシ
ュ処理に関しては高エネルギーニュース Vol. 26 No. 2

かけた飛程」と定義すると，バックグラウンド理解のため(2007/7/8/9)「長 基 線 ニ ュ ー ト リ ノ 振 動 実 験 OPERA 」に測定した総トラック長は， t  h + n p 0 + n t モードで探を参照されたい。

索したハドロンの総トラック長の 8 倍相当である。この中に横向き運動量が t 崩壊候補の条件を満たすものは検出されていない。さらに p ビームを OPERA の ECC に照射したビームテストサンプルでハドロン 2 次反応の絶対数およ

OPERA で 使 っ て い る 900 万 枚 の OPERA フ ィ ル ム
はすべて富士フイルム株式会社で製造されたものであ る 。今 回 の t ニ ュ ー ト リ ノ 反 応 候 補 を 含 め ，OPERA
で今後捉まるであろうすべての t ニュートリノ反応

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検 出 は ，富 士 フ イ ル ム 株 式 会 社 で 製 造 さ れ た す ば ら しい 性 能 の フ ィ ル ム に よ っ て な さ れ る 。現 在 ，フ ィ ル ム
製造から丸 7 年を経ても初期性能を維持してニュー[6] K. Niu, E. Mikumo, Y. Maeda, Prog. Theor. Phys. 46,
1644-1646 (1971).
[7] DONUT collaboration：

ト リ ノ 反 応 を 捉 え 続 け て い る [14] 。 大 変 尽 力 を 頂 い た(a) Nucl. Phys. B 77, 249 (1999).

金 澤 勇 二 氏 (故 人 )を始 め 関 係 者 の 皆 様 に あ ら た め て(b) Phys. Rev. D 78, 052002 (2008).

謝意を表します。
ニュートリノビーム照射は 2006 年，2007 年のテスト照射の後，2008 年より ECC ターゲットをフル充填して，毎
年，初夏から晩秋にかけて照射をおこなっている。ニュー
トリノビーム照射は 2012 年までの予定で，現在 3 年目の照射中である。順調にニュートリノ反応の解析・崩壊点探索をおこなっている。それぞれの照射年度のニュートリノビ
ーム量はターゲットに当たった陽子数(POT， 1019 単位)で1.78，3.52，1.94(8 月 1 日現在)である。
ECC 標的をフル充填し 2008 年のニュートリノ照射を控
え，いよいよ解析ができるぞと沸き立っていた時期に研究室のある名古屋大学校舎の耐震工事が始まった。そのため大学の研究室を立ち退き，リフレッシュ処理をおこなった[8] OPERA プロポーザル：(a) A. Ereditato, K. Niwa and P. Strolin, The emulsion

technique for short, medium and long baseline n m  n toscillation experiments,
423, INFN-AE-97-06, DPNU-97-07 (1997).
(b) CERN-SPSC-2000-028, LNGS P25/2000 (2000).
(c) CERN-SPSC-2001-025, LNGS-EXP 30/2001 add.
1/01 (2001).
[9] OPERA collaboration：
JINST 4, P04018 (2009).
JINST 4, P06020 (2009).
[10] Changeable Sheet 関係：

岐阜県土岐市にある東濃鉱山に研究室を移して現在 3 年目(a) OPERA collaboration, JINST 3, P07005 (2008).

になる。東濃鉱山の花木達美氏およびスタッフの皆さんに(b) T. Fukuda et al., JINST 5, P04009 (2010).

は大変お世話になっている。この場を借りて謝意を表しま[11] Track Selector 関係：
中野敏行，日本物理学会誌 Vol. 56, No. 6, 411-418

す。
現在は OPERA 実験終了時に期待される全解析反応数の約 10% にあたる反応の解析が終了したところであり，確認(2001).
K. Morishima, T. Nakano, JINST 5, P04011 (2010).

できた t ニュートリノ反応候補事象は 1 個である。この候[12] OPERA collaboration, Observation of a first n t can-

補反応の観測のバックグラウンド事象からの有意性は 2.0

didate in the OPERA experiment in the CNGS beam,または 2.4s 相当であり t ニュートリノアピアランス証明

Phys. Lett. B 691, 138-145 (2010).

のためには 2 個目あるいは 3 個目を検出しなくてはならな
い。現在，2008 年，2009 年の照射のデータをまとめ，解析
結果を更新すべく解析を進めているところである。

[13] T. Nakamura et al, Nucl. Instrum. Meth. A 556, 80-86(2006).
[14] N. Naganawa, K. Kuwabara (Fuji Photo Film Co.,
Ltd.), JINST 5, P02006 (2010).

Reference[1] Z. Maki, M. Nakagawa, S. Sakata, Prog. Theor. Phys.
28, 870-880 (1962).

[2] H. Harari, Phys. Lett. B 216, 413 (1989).
[3] CHORUS collaboration, Nucl. Phys. B 793, 326-343(2008).
[4] SUPER KAMIOKANDE collaboration, Y. Fukuda etal., Phys. Lett. B 335, 237 (1994).
[5] (a) SUPER KAMIOKANDE collaboration：
Y. Fukuda et al., Phys. Rev. Lett. 81, 1562 (1998).
K.Abe et al., Phys. Rev. Lett. 97, 11801 (2006).
(b) MINOS collaboration：
D. G. Michael et al., Phys. Rev. Lett. 97, 191801 (2006).
P. Adamson et al., Phys. Rev. Lett. 101, 221804 (2008).