研究紹介

JSNS2 (J-PARC E56) 実験

(J-PARC Sterile Neutrino Search at J-PARC Spallation Neutron Source；
J-PARC MLF中性子源を用いたステライルニュートリノ探索)

J-PARC 物質生命科学研究施設(MLF)の水銀標的にて大量に発生するニュートリノを用いて、現在までの 標準模型で記述されない（弱い相互作用を行わない）ステライルニュートリノに関する振動現象を探索します。 （2013年9月に正式に実験を提案しました。

ステライルニュートリノ

ステライルニュートリノ は弱い相互作用を起さないニュートリノで、 暗黒物質の候補でもあります。
下の表のような実験で、その存在が示唆されています。

LSND、MiniBooNEが通常の３つのニュートリノ（電子、μ、τ型） では振動が起りえない、μ型のニュートリノから電子型への変換を、 また、Ga実験や原子炉実験で、電子型ニュートリノの消失を 観測しています。これはニュートリノ振動であったとするならば、 L(m)／E(MeV)~1 の非常に短基線で振動が起ったことになります。

ただし、現在のところ、実験のビームや検出器に対する 系統誤差の甘さが指摘されており、世界の物理関連の人達を確信させるに 至っていません。 そこで、本研究では、MLFの非常に優れたビームと最新の検出器を用いて ステライルニュートリノの存在について完全なる結着を付けることを 目的としています。

MLFの概観と実験の検出器位置について

図； 物質生命科学研究施設の概観図。赤は検出器の設置候補地
右手の方向から、エネルギー３GeVの陽子がやってきて、紫の矢印の先 にある水銀標的に衝突します。 その際、パイ中間子、μ粒子が静止崩壊を起こし、その際、大量の ニュートリノも生成します。我々はそのニュートリノを用いて実験を 行います。

ニュートリノの生成時間

図； 物質生命科学にくる陽子ビームタイミングと水銀標的で生成する
ニュートリノの生成時間の関係について。 （横軸が時間、縦軸が生成されたニュートリノの数。） 図上にある、２つの四角が陽子ビームの時間構造です。だいたい８０nsの 幅を持つbunchが２つあり（これをspillといいます）
このspillが４０ms毎に來ます。（２５Hz周期）
水銀中のパイ中間子やK中間子から生成されるニュートリノは比較的陽子
のタイミングと同じ時間に生成されますが、静止ミュー崩壊から生成される
ニュートリノはミューの寿命が長いため、他のニュートリノより、 遅れて生成します。
この特性を用いて、我々の実験ではミューから生成されるニュートリノの みを選択して用います。
静止ミューからのニュートリノのエネルギーは精密に理解されており、 この情報を使えることが、精密実験へと導きます。
また、陽子ビーム開始時間から１０μsまでに来た先発事象を使うことで、 宇宙線背景事象を大幅に減らすことができます。

Detector

５０トンの液体シンチ検出器と検出原理。

右上の図にあるような検出器タンクには、Gdが入った液体シンチを 入れて、逆β崩壊反応を用いたニュートリノ検出を行います。 この反応は、右下の図にあるように、振動後の反電子ニュートリノが 液体シンチ内の陽子と反応し、陽電子と中性子を生成します。 陽電子は反応後、すぐにシンチ光を発するのに対し、中性子は液体 シンチ内で熱化し、約３０マイクロ秒たった後にGdに吸収されて ８MeVのγ線を放出します。 この２つの信号の同時遅延計測方法を用いることで、背景事象を 一気に減らすことができます。

エネルギー分布が鍵

図； 24m地点に50トンの液体シンチ検出器を設置した際の検出される ニュートリノエネルギー。
青が背景事象。赤がステライルニュートリノがあった場合、振動条件を 変えた際の信号。

期待される感度

図； ５年×MW強度ビームで得られる実験の感度。ピンクの線が９０％信頼度です。
緑（９９％信頼度）と茶色（９０％信頼度）の島はLSND実験が主張する ステライルニュートリノ肯定的振動領域で 我々の実験は、全ての領域で LSNDが出している肯定的な結果について その真偽について結論を出せます。 エネルギー分布が振動かどうか曖昧な場合は、更に長い帰線と大きな 検出器を使用した次期計画も考えています。