21■ 研究紹介Daya Bay 実験における θ13 の精密測定
Lawrence Berkeley National Laboratory

中島 康博
YNakajima@lbl.gov
Brookhaven National Laboratory

田中 秀和
thide@bnl.gov
2012 年 (平成 24 年) 5 月 16 日

1

はじめに
原子炉ニュートリノ振動実験 Daya Bay は 2011 年 12月末に前置検出器, 後置検出器を用いて, 未知のニュートリノ混合角 θ13 の精密測定に向けデータ収集を開始し,
約 55 日間のデータを使って 2012 年 3 月上旬に最初のsin2 2θ13 の測定結果を発表した。Daya Bay 実験で得られた結果は sin2 2θ13 = 0.092±0.016(stat)±0.005(syst) [1]であり, 約 5σ で sin2 2θ13 = 0 を排除している。この結果は, 本稿執筆時点において, sin2 2θ13 の測定としては最高の精度を誇る。

この研究紹介では Daya Bay 検出器建設, 検出器運転・データ収集, θ13 の解析など, 最初の結果発表にいたるまでを振り返りつつ, Daya Bay 実験を紹介する。

2

θ13 をめぐる競争
ニュートリノの世代間の 3 つの混合角のうち θ12 と

θ23 はすでに有限値が測定されているが, θ13 については
Chooz 実験により sin2 2θ13 < 0.15 [2] という上限値があたえられるのみであった。この状況はごく最近に至るまで 10 年近く続いた。
ところが, 2011 年に入ってから立て続けに 3 つの実
験から θ13 の測定結果が発表された。まず口火を切ったのは T2K 実験（日本）であり, 加速器ミューニュート
リノを用いて電子ニュートリノの出現事象の兆候を世界で初めてとらえた。これにより, 上限値ではない結果

0.03(0.04) < sin2 2θ13 < 0.28(0.34) [3] を与えた1 。その後, MINOS 実験（米国）でも加速器ミューニュートリノを用いて同様の測定が行われ, 2 sin2 (θ23 ) sin2 (2θ13 ) =+0.071
2
0.041+0.047−0.031 (0.079−0.053 ) [4] を与えた 。さらに, 原子炉
1 この値は CP 非対称性がないことを仮定し, 括弧の中の値は inverted hierarchy の場合である。
2 CP 対称性の仮定および括弧で囲まれた値の意味は T2K と同様。

ニュートリノを用いた Double Chooz 実験が後置検出
器のみを用いて反電子ニュートリノの消失現象の兆候をとらえ, sin2 2θ13 = 0.086 ± 0.041(stat) ± 0.030(syst) [5]という値を与えた。上記の 3 つの実験結果はお互いに矛
盾のない値をしめしている。
これらの結果は我々を大いに驚かせた。なにしろ

Chooz 実験の上限値の直下あたりに sin2 2θ13 の値がある可能性が次々に示されたのである。過去 10 年近い間, どれだけ小さい sin2 2θ13 の値に感度を持った実験を提案できるかが競われ, 延々と議論されてきたというのにである。
しかしながら, 上記の実験結果は sin2 2θ13 = 0 であることは, たかだか 2.5σ の有意度でしか排除できていなかった。そのため, さらに高精度な測定が必要であり,2011 年中頃〜末の時点でそれが可能であると考えられていたのが, 原子炉ニュートリノを用いた Daya Bay 実
験（中国）と RENO 実験（韓国）であった。

RENO 実験は 2011 年夏には前置検出器, 後置検出器の両方を完成させ, データ収集を開始していた。したがって, 2011 年末には結果を出そうと思えば出せた状態であったと思われる。その一方 Daya Bay 実験は, 2011年夏から前置検出器のみでのデータ収集を開始していたが, 後置検出器の完成は 2012 年夏を予定しているというアナウンスを出し続けていた3 。
筆者が想像するに, 当時のニュートリノ業界の方々からみれば Daya Bay 実験は乗り遅れた実験のように見えていたことだろうと思う。しかし Daya Bay 実験内部では, 検出器の一部資材の生産日程が遅れていたために, 全ての後置検出器の完成を待たずに前置・後置検出器を用いた物理データ収集を開始することを 2011 年春
3 実際, このアナウンスは偽りではなく, Daya Bay 実験の後置検
出器「全て」が完成するのは今年 (2012 年) の夏を予定していることに今でも変わりはない。

22

University of Science and Technology of China, Hefei
36
College of William and Mary, Williamsburg, VA
37
China Guangdong Nuclear Power Group, Shenzhen
38
Iowa State University, Ames, IA(Dated: April 3, 2012)

The
Daya Bay Reactor Neutrino Experiment has measured a よって反電子ニュートリノを同定する。この同期測定は
non-zero value for the neutrino mixing angle θ13頃から計画していた。それに伴い, Daya Bay 実験の現,with a significance of 5.2 standard deviations. Antineutrinos from six 2.9 GWth reactors were detected in six
場では 2011 年末からの物理データの収集開始を目指し
ほとんど全てのバックグラウンド（環境放射性物質の寄
antineutrino
detectors deployed in two near (flux-weighted baseline
470 m and 576 m) and one far (1648 m)て,
それこそ寝る間も惜しんで仕事をし,強行スケジュー
与など）を排除することができる
非常に強力な手法でunderground experimental halls. With a 43,000 ton-GWth -daylivetime exposure in 55 days,, 10416(80376)
ルのなか検出器の建設, コミッショニング, 検出器較正
ある。
electronantineutrino candidates
were detected
at the far hall (nearhalls). The ratio of the observed to expected
numberof antineutrinos。それと同時に
at the far hall is, 本実験のマネジ
R = 0.940 ± 0.011(stat) ± 0.004(syst). A rate-only analysis findsを進めていた（後述）2
3.2 Daya
Bay 検出器
sinメントは実験関係者に緘口令を敷いて
2θ13 = 0.092 ± 0.016(stat) ± 0.005(syst)
in a three-neutrino
framework.
, 非常に慎重に外Daya Bay 実験の検出器レイアウトを図 1 に示す。に向けて出す情報の管理をしていた。結果として, 2012
PACS numbers: 14.60.Pq, 29.40.Mc, 28.50.Hw, 13.15.+g
Daya Bay 実験では Daya Bay 原子炉, Ling Ao 原子
年 3 月の発表まで情報が漏れなかったのは, 本実験の当
Keywords:
neutrino oscillation, neutrino mixing, reactor,
Daya Bay炉, および Ling Ao-II 原子炉の 3 つの原子炉からの反事者としても驚くべきことであった。
電子ニュートリノを用いている。各原子炉は 2 つのコア

s well establishedthat Baythe flavorof a neutrino oscilareから構成されlocated in EH1
one in EH2Daya(the Baynear検出器
halls). Three, 計 6 andつのコアがある。
3 Daya
実験の概要
with time. Neutrino oscillations can be described by theADspositioned near the EH1,
oscillation
maximum
は,are
2 つの前置検出器ホール（
EH2）と1 つの後置in the far
Daya Bay 実験は, 約 230 名の共同研究者が中国, 米mixing angles(θ12 , θ23 , and θ13 ) and a phase of the
hall,
EH3.
The
verticaloverburdeninequivalent
検出器ホール（EH3）の計 3 つの地下実験ホールに設置meters of国,
ヨーロッパの38
研究機関・大学から集まった比較的
corvo-Maki-Nakagawa-Sakata matrix, and two masswater(m.w.e.), the simulated muon
rate and average muon
されている。各実験ホールの位置は, 各原子炉コアから大所帯の実験である。
d differences(∆m232 and ∆m221 ) [1, 2]. Of these mixenergy,
andaveragedistance
tothereactorpairs are listed inの基線距離, および宇宙線事象数などを考慮して最適化
ここでは
,
Daya
Bay
実験の概略を説明する。検出器
ngles, θ13 is the least known. The CHOOZ experiTable
I.
されている（表1）。
の詳細などは本実験の発表論文[1,6]を参照していただ
obtained a 90%-confidence-level upper limit of 0.17 for
きたい。results from T2K [4], MINOS [5] and13 [3]. Recently,
e Chooz [6]indicated that θ13 could be non-zero.
3.1have
原子炉ニュートリノ実験
paper, we present the observation of a non-zero value
原子炉ニュートリノ実験は, 原子炉で生成される反電3.
子ニュートリノの消失（欠損）現象を観測することでreactor-based experiments, an unambiguous determina2
sinextracted2θ13 を測定する。反電子ニュートリノの生存確率は
θ13 can be
via the survival probability of the
以下のように書くことができる。
on antineutrino ν e at short distances from the reactors,(ν̄e →2ν̄e ) =2
Psur ≈ 1P−
sin 2θ213 sin2 (1.267∆mL/E) ,
2
2 31 2(1)

1 − sin 2θ13 sin (1.27∆m31 [eV ]L[m]/Eν [MeV]).

∆m231 = ∆m232 ± ∆m221 , E is the ν e energy in MeV
2
原子炉ニュートリノ実験での13 測定には以下に
is the distancein meters between thesinν e 2θ
sourceand the挙げるようないくつかの利点がある。1 つ目は, 100%
200メートルor (baseline).
純粋な反電子ニュートリノ・ビームが無料で得られるこ
near-far arrangement of antineutrino detectors (ADs),, 反電子ニュートリノの消失現象, すなわちstrated in と。
Fig.2 つ目は
1, allows
for a relative measurementby
図 1: Daya Bay 実験の検出器レイアウト。AD1∼6 は反ν̄e → ν̄µ とνν̄ee rates→ ν̄τ atを足し合わせたものを測定するた
aring the observed
various baselines. With
FIG.ニュートリノ検出器であり
1. Layout of the Daya ,Bay
experiment.
The dots represent
図中のEH1∼3 は実験ホーめ, CP ADs,対称性の位相因子の寄与が入り込まないこと。
onally identical
the relative rate is independent of 3 reactors,labeled
as
D1,
D2,
L1,
L2,
L3
and
L4.
SixAo,
ADs, AD1–
ル, D1∼2 および L1∼4 はそれぞれ Daya Bay, Ling
AD6, are installed in three EHs.
ated uncertainties
and ,uncorrelated
reactor uncertainties
つ目の利点はニュートリノのエネルギーが低いためにLing Ao-II 原子炉のコアを意味する。
nimized. 物質効果の寄与が無視できることである。このような理As shown in Fig. 2, the ADs in each EH are shielded with
etailed descriptionof the Daya θBay
experiment can be
由から, 加速器実験では
13 以外の効果の寄与が無視で
表 1:
overburden
宇宙線事
>2.5
m 各検出器ホールのof high-purity water
against(m.w.e),ambient
radiation in allin [7, 8]. きないのに対し，原子炉ニュートリノ実験はより純粋な
Here, only the apparatus relevant to this anal22
directions.
Eachwater pool is segmented intoand outer
ill be highlighted.
The six pressurized water reactors
象数 (Hz/m), 各原子炉コアからの基線距離(m)inner。
sin 2θ13 の測定を行うことが可能である。
water shieldsOverburden(IWS and OWS)
andouped into 原子炉ニュートリノの検出には逆ベータ崩壊反応を用
three pairs with each pair referred to as a
RµD1,2instrumented
L1,2 L3,4 with photoEH1 tubes 250
1.27function
364 as857
1307
multiplier(PMTs) to
Cherenkov-radiationr power plant(NPP). The maximum thermal power of
いる。
EH2
265
0.95
1348
480
528
detectors
whose 860
data were0.056
used byoffline softwareto removeeactor is 2.9 GWth . Threeν̄e underground+ p → e+ + n experimental
EH3
1912 1540 1548
spallation neutrons and other cosmogenic backgrounds. The
EHs) are connected with horizontal tunnels. Two ADs
終状態で生成される陽電子は短時間にまわりの電子と対消滅し「初期信号」を生成する。陽電子のエネルギー

Ee+ からニュートリノのエネルギーを再構築すること

各実験ホールには, 反ニュートリノ検出器（Anti-ができる (Ee+ ≈ Eν − 0.8 MeV)。また, 終状態の中性

neutrino Detector; AD）と 2 つの宇宙線ミューオン veto
検出器：水チェレンコフ検出器, Resistive Plate Chamber

ウム (Gd) に捕獲される。その後, Gd(n, γ) 反応から計(RPC) が設置されている。各実験ホールにおける ADの数は図 1 に示したように, 現在は EH1 に 2 つの AD,
EH2 は 1 つ, EH3 には 3 つの計 6 つの AD（AD1∼6）

子は約 30 µs かけて熱中性子化し, 最終的にガドリニ

8 MeV のガンマ線が放出され, これが「後発信号」となる。この初期信号と後発信号の同期測定をすることに23

Automatedcalibration system
Optical reflector
at top
Photomultipliers(8-inch)Radial shield
Mineral oil(Buffer region)
Liquid scintillator(Gamma cacher)
0.1% Gd-doped
liquid scintillator(Target volume)
Optical reflector
at bottom

図 3: Daya Bay 実験の後置検出器の全体図。

図 2: 反ニュートリノ検出器（AD）の概略図。
を導入している。2012 年の夏には残り 2 つの AD を導入し, Daya Bay 実験の全ての検出器の導入が完了する予定である。
図 2 に AD の概略図を示す。AD は 3 層の円筒形タンクからなり, 内側から以下のように構成されている。

1. Gd-doped liquid scintillator (20 ton)
0.1%の Gd を含んだ液体シンチレータ（Gd-LS）。
これがニュートリノ標的である。この領域で上述の逆ベータ崩壊反応から生成される陽電子からの初期

図 4: ACU の内部写真。

信号, および Gd(n, γ) 反応からの後発信号（8 MeVのガンマ線）を観測する。

2. Liquid scintillator (20 ton)
Gd を含まない以外は上記の Gd-LS と同じ液体シンチレータ（LS）である。ニュートリノ標的領域(Gd-LS) から漏れ出たガンマ線を測定することを目的としている。

オンを veto するための 水チェレンコフ検出器としても機能する。さらに, この水チェレンコフ検出器ならびにAD の上部を RPC が覆っている。
較正のために, 各 AD には 3 つの Automated Calibration Units (ACU) が搭載されている（図 2）。3 つのACU はそれぞれ, ニュートリノ標的層の中央, ニュートリノ標的層の端, 液体シンチレータ層の 3 箇所に放射線源な3. Mineral oil (40 ton)
AD の最外層はミネラル・オイルで満たされた不感どを挿入し, AD の検出器較正を行う。この 3 つの ACU領域である。この領域はバッファー領域と呼ばれ,向）のエネルギー較正が可能である。1 つの ACU には 4

PMT など検出器内部の物質に含まれる放射性物質からのガンマ線が有感領域（Gd-LS, LS）に入り込
まないようにしている。

1 つの AD に 192 本の 8 インチ PMT が円筒の胴体部に設置されている。さらに円筒の上下に光学反射板を設置することで実効的な光検出領域を 12%に高めている。

AD はさらに純水槽のなかに設置される（図 3）。四方を厚さ 2.5 m の純水で覆うことで, 空気中や岩盤など,検出器の外部からのガンマ線や中性子などを遮断している。この水槽内には 288 本（384 本）の 8 インチ PMTが前置検出器（後置検出器）に設置され, 宇宙線ミュー

により, AD 内部の z 方向（高さ方向）と r 方向（水平方
種の較正源 68 Ge (e+ ), 214 Am-13 C (neutron), 60 Co (γ),

LED が搭載されている。図 4 に ACU の内部の写真を示す。この ACU を使った較正用データ収集を, 週一回の頻度でそれぞれの AD に対して約 5 時間かけて行い,

PMT 増幅率較正, 時間較正, エネルギー較正に用いている。上記の放射性物質を使った AD の検出器較正の結!
果, エネルギー分解能は (7.5/ E(MeV) + 0.9)% と求
められた。

24

建設からデータ取得開始まで

4

Daya Bay 実験の反ニュートリノ検出器 (Anti-neutrino
Detector; AD) 建設は, 大まかには以下の手順で行われる。(1)Surface Assembly Building(SAB) にて PMT 取
り付けを含む AD 本体の組立。(2) 組立後の検出器動作テ
スト (ドライラン)。(3) 地下の液体シンチレーターホー
ルでの液入れ。(4) 地下の実験ホールに設置。
これと並行し, 実験ホール内では RPC や, 純水槽 (Wa-ter Pool; WP) 用の PMT などのインストール作業が行われる。実験ホールでの AD の設置およびケーブリングが完了した後, WP に注水を開始, その後, WP 上に遮光用のシートをかぶせ, さらに RPC を WP 上に設置し,インストール作業が完了する。

図 5: SAB のクリーンルームに設置された AD。

インストール完了後は検出器コミッショニングを行い,問題点を洗い出し, 修正した後, 物理データ取得を開始した。前述したように, 我々は EH1 に AD1 と AD2, EH2に AD3, EH3 に AD4-6 を設置した。物理データ取得を
 







開始したのは, それぞれ 2011 年 8 月 15 日 (EH1), 11 月

5 日 (EH2), 12 月 24 日 (EH3) だった。表 2 に大まかなスケジュールを示す。この表からもわかるように, 建設に要した時間は, 後の AD になればなるほど短くなっていった。このように加速していったのは, 作業に習熟していったことも要因であったが, より大きな要因であったと個人的に思うのは, 最初の AD を作る時に徹底的に問題点を洗い出し, 修正したことであった。これにより,後半の AD では, ほとんどトラブル無く建設, コミッショ
ニングを進めることが出来た。以下に, 簡単ではあるが,建設作業を紹介したいと思う。

4.1

AD 本体の建設

AD 本体の建設作業は, 地上にある Surface Assembly
Building(SAB) にて行われる。SAB 内には, 2 台の ADが同時に組立可能なクリーンルームが設けられている。
図 5 はクリーンルーム内のピットに２つの AD が設置された様子である。実際の AD の組立は, 図 6 に示す手順で行われた。筆者も, PMT の取り付け, インストール,
及びその後の動作試験などを行った。図 7 は, PMT の取り付け作業の様子である。各 AD には合計 192 本の 8 イ
ンチ PMT が取り付けられるが, これらは, 24 本ごとに分割される。この 24 本ごとの構造体 (PMT ladder) に,
まず PMT を取り付け, ケーブリングをした後, クレーンで本体にインストールするという手順で AD は組み立てられた。ケーブルにわずかな傷があると, その傷からケーブルを伝って内部のミネラル・オイルが外部に漏れ出る原因となるので, ケーブルに傷をつけないよう, 慎重に気を使いながらの作業であった。

PMT のインストールが終わった後は, 地上で動作確認のテストを行う。まず最初に, PMT のインストール直




図 6: AD 組立の手順。
後にブラックシートで AD 全体を覆うことで簡易的な遮光をし, PMT の性能評価を行った。この時点で, ダーク
レートが高いなど問題のある PMT については取り替えを行った。その後, 上蓋を閉じ, キャリブレーションシス
テムをインストールした後, いわゆる「ドライラン」を行い, より詳細な PMT の性能評価およびキャリブレー
ションシステムのテストを行った。この PMT の取り付けおよび動作試験, ドライランは LBNL が中心になって行った。これらの性能評価に加え, 最終的には AD 全体
が水の中に入るため液体の漏れ・流入が無いよう, あらゆるフランジに対して入念なリークテストが行われた。
これらが全て終われば, AD 本体の完成である。
筆者が参加したのは, AD3/4 のドライランおよびAD5/6 の組立以降であるが, この頃には, 問題点の多くは洗い出され, （当然ながら, 細かい問題は多々あったが）作業は非常にスムーズに進んだ。AD1/2 に関しては, PMT と SSV の間のクリアランスが不足したり, フ
ランジでの締め付けにより大量にケーブルを傷つけてしまったりと, 数多くの問題が発生し, さらに手順が確立
されていなかったこともあり, その完成までに実に一年以上を要した。しかし, AD5/6 に関しては, 完成までに要した時間は, わずかに 2–3ヶ月であった。

25
表 2: 建設スケジュール。
EH1
AD PMT 取付完了
AD ドライラン完了
AD 液体シンチ 注入
WP PMT 取付完了
AD 実験ホールに設置
WP 注水開始
物理データ取得開始

AD1
AD2
2010 年 5 月
2010 年 7 月
2010 年 11 月 2010 年 11 月
2011 年 5 月
2011 年 5 月
2011 年 1 月
2011 年 6 月
2011 年 6 月
2011 年 7 月
2011 年 8 月

EH2
AD32011 年 1 月
2011 年 6 月
2011 年 8 月
2011 年 8 月
2011 年 9 月
2011 年 10 月
2011 年 11 月

AD42011 年 2 月
2011 年 6 月
2011 年 8 月
2011 年 10 月

EH3
AD52011 年 8 月
2011 年 10 月
2011 年 10 月
2011 年 11 月
2011 年 11 月
2011 年 12 月
2011 年 12 月

LS/MO tankAD6
2011 年 8 月
2011 年 10 月
2011 年 11 月
2011 年 11 月

GdLS tank

Coriolismass flow
metersISOtank

図 7: PMT 取り付け作業。

4.2

液体シンチレーター注入

組立が完了した AD は地下の液体シンチレーターホールに移され, そこで液体シンチレーターおよびミネラル
オイルの注入作業が行われる。図 8 は地下トンネルを移動中の AD, 図 9 は液体シンチレーターホール内の様子である。

図 9: 液体シンチレーターホール。
時間体制で液入れが行われた。この液入れ作業では, シンチレーターが酸素と接触することを避けるため, まずAD 内に窒素を充填した。そして Gd-LS, LS, MO の液体の水面の高さが常に同じになるよう, 3 種の液体が同時に注入された。さらに, Gd-LS に関しては, 一度重量計の上に載った 20 トンの ISO タンクに入れられ, その後 AD 本体に注入された。液入れ前後の ISO タンクの重量を正確に測定することで, 3kg(20 トン中) の精度でAD 内に注入した GdLS の質量を押さえている。
以上のように液入れは慎重を要する作業ではあったが,AD の組立と同様, 回を重ねるごとにスムーズに進むよ
うになり, AD5/6 に関しては, 要した時間は AD1 つにつき一週間程度であった。

4.3

実験ホールにおけるコミッショニング

EH1 (Daya Bay Near Hall)
液入れが終了した AD は, いよいよ実験ホールに設置される。図 10 は AD1 を EH1 にインストールしている
図 8: 地下トンネル内を移動中の AD。

際の様子である。AD1 および AD2 は, 2011 年 6 月にDaya Bay 実験では, シンチレーターの性質を AD 間

ブルの配線, ACU の設置, さらに AD 上部を循環させる

で一定に保つため, 8 つの AD に十分な量の液体シンチ
レーターの製造を 2011 年初頭までに行い, 地下に貯蔵してある。AD が液体シンチレーターホールに到着した後は, ウィスコンシン大学を中心としたチームにより, 24

EH1(Daya Bay Near Hall) に設置された。その後ケーための窒素ガスラインの配線等を行い, 検出器のコミッ
ショニングを開始した。EH1 でのコミッショニングでは, 液体シンチレーターの入った AD の信号を見るのは初めてであったので, まさに試行錯誤の連続だった。筆26
者も当時 Daya Bay に滞在し, このコミッショニング作業の一部を担った。液体シンチレーターの発光量が当初想定していたよりも大きい, という嬉しいサプライズがあった一方, PMT 自身の放電によるイベントが, 予想以
上に大きなバックグラウンド源になりうるということも分かり, 苦しめられた。PMT 自身の放電のイベントについては, オフラインでこれを高効率で同定する手法を開発し, 最終的には解析にほぼ問題にならないレベルまで除去することに成功した。また, ノイズの削減も課題であった。当初は, 各 PMT のヒットの閾値を超えるノイズが多く存在したが, その 1 つの発生源が HV クレー
トであることを突き止め, グラウンドの接続をうまく切り離すことで, これを大幅に削減することに成功した。
その他にも数多くのノイズ対策が施され, 最終的にはノイズレベルを十分落とすことに成功した。






図 11: 注水中の EH1 水槽 (上) と, 注水中に取得したデータの反応点分布 (下)。

EH2(Ling Ao Near Hall) と EH3(Far Hall)

図 10: EH1 にインストール中の AD1。

EH1 でのコミッショニングで, 筆者が最も印象的だったことは, WP 内に注入された水による遮蔽効果である。
我々は, プール内が空の状態でデータ取得を始めたが,当初はトリガーレートが数十 kHz あり, DAQ の処理能力を大きく上回っていた。このイベントの多くは, 実験
ホール内のコンクリート等からの放射線であり, 水を入れることでそのほとんどが削減されることは予想されていたが, 本当に十分にトリガーレートが下がるのか, 他に
バックグラウンド源はないのか, 半信半疑であった。ところが, 水面が上がると同時に見事にトリガーレートは減少し, 完全に水が張られた状態では約 300Hz と約 2 桁
減少し, 十分 DAQ で処理出来るレベルになった。図 11に注水中に取得したデータの反応点分布を示す。この図からも水槽内の水により, 強力な遮蔽効果が得られていることが分かる。
このようにして, なんとか検出器の理解をひと通り終え, 我々は 2011 年 8 月 15 日, EH1 において物理データ取得を開始した。

EH1 での経験もあり, EH2,EH3 でのインストール・
コミッショニングは, 極めてスムーズに, そして当事者ですら予想しなかった驚くべき早さで進んだ。AD3 を

9 月に EH2 に設置し, コミッショニング作業をひと通り終えた後, EH3 の準備が整うのを待って, 10 月下旬より立て続けに AD4-6 が EH3 にインストールされた。このEH3 でのインストールおよびコミッショニングの作業時には, 多くの人が現場に集結し, ホール内に人がひしめき合い, まさに芋を洗うような状況であった。筆者もこの時期に Daya Bay に滞在し, ケーブリングや検出器の動作チェックをひたすら繰り返した。図 12 は, EH3 での作業の様子である。

EH3 でのインストール作業は極めて順調に進み, 11 月
下旬には全てのケーブリングおよび検出器の動作確認を終え, 水槽が空の状態でのデータ取得を開始した。その後, 水槽への注水, RPC のインストールを行い 2011 年

12 月 24 日より, 3 つの実験ホールが全て立ち上がった状態での物理データ取得を開始した。図 13 は水が張られ, 物理データ取得の準備がほぼ整った各実験ホールの様子である。

27に至った経緯である。
ただし, T2K や他の競合実験の存在が, 建設やその後の解析を加速させたことは, 疑いようのない事実である。

5

θ13 の測定5.1

Blind 越しに見えた信号2012 年初頭に香港で行われたコラボレーションミー
ティングでは, 昨年末より取得を開始したデータの議論が早速行われた。そして, そのデータは, 後置検出器でのニュートリノ反応数が予想より 10%程度少ないことを,大きい統計誤差ながらすでに示唆していた。すぐさま,
その約 1ヶ月後の解析合宿とコラボレーションミーティ
ングが計画され, それまでに得られたデータを見て, θ13

が大きいことが確認されれば, 3 月に結果を発表するという目標が掲げられた。
はたして, 翌 2 月のミーティングでは, 5 つの独立した解析結果が出揃った。筆者もその 5 つのうちの 1 つの解析を担当した。それぞれ違うキャリブレーション方法,
イベント選択, フィット方法をとったものであったが, そのいずれもが大きな θ13 の値 (sin2 (2θ13 ) ∼ 0.1) を示していた。ここで我々は θ13 が比較的大きいという確信を得た。

我々は結果に人間のバイアスが入り込むのを避けるた
図 12: EH3 インストール時の AD 上部での作業 (上) お
よびケーブリング (下) の様子。

4.4

Deployment plan をめぐる議論

さて, 当初計画では 8 つの AD を用いて測定を開始する予定であったわけだが, なぜ我々が, 最後の 2 つの検出器の完成を待たずに 6 つの検出器で測定を開始したかについて, 簡単に説明したい。まず, 昨年の T2K の結果に影響されて実験開始を早めたとよく考えられがちだが,必ずしもそうではない。実は AD7 と AD8 については,資材の調達の遅れから, 他の AD に比べて完成が遅れる
ことが当初から見込まれており, そのため 6 つの AD で測定を開始することは, 2011 年春頃, T2K の結果が出る
以前から計画されていた。
とはいえ, 最初の AD が完成した 6 月から, 最終的に計画を決定した 9 月までの間, どのように検出器を配置するかについて, 様々な（時には激しい）議論が行われた。まず, AD1 と AD2 が完成した 2011 年 6 月の時点
では, まだ EH2 と EH3 は建設途中であった。したがって AD1 と AD2 を両方とも EH1 にインストールし, こ
こで side-by-side での検出器の比較を行うことを決定した。そして, 残りの 4 つの検出器については, どのような配置にするのが最も感度を高めるかを検討した結果,

EH2 に 1 つ, EH3 に 3 つ設置するのがよいとの結果を得, そのようにインストールした。これが最終的な結論

め, ブラインド解析を行った。2 月のミーティングの時
点では, まだブラインドを解除していなかったが, にも関わらず我々が θ13 の情報を得ていたことを, 疑問に思われるかもしれない。実は, ブラインド解析を行うために Daya Bay 実験でとった方法は, 検出器のターゲット
質量, 基線長, 原子炉の出力の 3 つの正確な値を隠すというものであった。しかし, この手法は, θ13 が小さい

(sin2 (2θ13 ) ∼ 0.01) ことを想定して決められたもので,これらは, それぞれ数%の範囲内でニュートリノ反応数を変化させる効果があるものの, 実際に観測された消失の大きさは, それでは到底説明のつかないものであった。
目隠し (blind) をしたつもりだったが, 信号が大きすぎて, 目隠しの上からでも見えてしまった, というわけで
ある。

5.2

Unblinding

ブラインドを解除するに先立ち, それぞれの解析結果の徹底した比較が行われ, この過程で多くのバグや予想していなかった問題点が発見・修正された。筆者自身,
当初はこのように複数の人が重複した解析を行うことを無駄と感じることもあった。しかし, こういった比較は,問題点を発見する上でも, また我々自身が解析の正しさを確信する上でも, 大変に役に立った。これらの作業に加え, 何か見落としていることが無いか, 入念なチェックが行われたのち, ブラインドを解除したのが 2 月の末で

28

最後に，得られた結果について簡単に紹介する。解析の詳細については，発表論文 [1] を参照していただきたい。図 14 は, 観測された各検出器でのニュートリノ反応
数, および, 前置検出器と後置検出器でのエネルギース
ペクトラムの比較を表している。このように非常にはっきりとした原子炉由来の反電子ニュートリノの消失を観測することに成功し,

sin 2θ13 = 0.092 ± 0.016(stat) ± 0.005(syst)
2

1.15

1.1

χ2

この結果を発表する運びとなった。

反ニュートリノイベント数ある。ここで最終的な sin2 (2θ13 ) の値を得, 3 月 8 日に（振動が無い場合の予想に対する比）図 13: 水が張られ, データ取得の準備がほぼ整った実験ホール。左から, EH1, EH2, EH3。

1.05

まとめと今後の展望

Daya Bay 原子炉ニュートリノ実験は昨年末より前置
検出器および後置検出器を用いた測定を開始し, 最初の55 日分のデータを解析した結果, θ13 混合により原子炉

ニュートリノが消失している現象をとらえた。これは，

θ13 による振動を 5σ 以上の有意度で確立した，世界で初めての結果である。本研究紹介では, 検出器や解析の細部の説明は論文等に譲ることとして, 実際の建設・コ
ミッショニング・解析作業の一端を紹介した。
今後は, 本年度夏に残り 2 つの検出器をインストール
し, 高統計のデータを用いた θ13 の精密測定を進める予定である。これに加え, エネルギースペクトラムの解析による ∆m221 の独立した測定や, ニュートリノフラックスの絶対値を正確に評価することによるステライルニュー

トリノの探索など, 様々な物理解析が進行しつつある。
今後の Daya Bay 実験からの結果にも, ぜひ期待していただきたい。

参考文献

0.05

0.1
sin 22θ13

0.15

EH1 EH2

EH3
0.9
0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

後置検出器

800
イベント数 / 0.25MeV

6

1σ

実効基線長 [km]前置検出器による予測（振動なし）

600
400
200
0

Far/Near 比

発表した [7] のは, このわずか一ヶ月後のことであった。

3σ

0.95

0

この結果を出すにあたって, とりわけライバルのRENO 実験に先駆けて結果を公表すべく, 我々は多大が我々と同様に原子炉ニュートリノの消失を観測したと5σ1の値を得た。

なプレッシャーのもと解析を進めた。実際, RENO 実験

35
30
25
20
15
10
5
0
0

No oscillation
Best Fit

1.2
1
0.8
0

5
初期信号エネルギー [MeV]10

図 14: (上) 観測された, 各検出器でのニュートリノ反応数。(下) 前置検出器と後置検出器のエネルギースペクト
ラムの比較。赤線（実線）は, 反ニュートリノ反応レートの解析から得られた θ13 の値による予測を示している。
図は [1] より引用。

[3] K. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 107, 041801 (2011).
[4] P. Adamson et al., Phys. Rev. Lett. 107, 181802(2011).
[5] Y. Abe et al., Phys. Rev. Lett. 108, 131801 (2012).

[1] F. P. An et al., Phys. Rev. Lett. 108, 171803 (2012).

[6] F. P. An et al., arXiv:1202.6181 [physics.ins-det].

[2] M. Apollonio et al., Eur. Phys. J. C 27, 331 (2003).

[7] J. K. Ahn et al., arXiv:1204.0626 [hep-ex].