電子ニュートリノ出現による νμ→νe 振動の発見
 図1：T2K実験の概要 |
 図2：ニュートリノのフレーバー混合 |
以前、高エネルギー物理学研究室ニュース(電子ニュートリノ出現による νμ→νe振動の兆候 )で、 「未だに確認されていない、 ニュートリノ出現事象νμ→νe の兆候を捉えた」 とありましたが、この度その事象を発見することに成功しました。
T2K実験は、図1に示すように、茨城県東海村に建設された大強度陽子加速器施設J-PARCで作られたニュートリノビームを、岐阜県神岡町のスーパーカミオカンデで観測することにより、その間で起こるフレーバー振動現象を測定する実験です。
ニュートリノ振動は、ニュートリノの質量固有状態(ν1, ν2, ν3)とフレーバー固有状態(νe, νμ, ντ)が異なるために起こる現象です。(図2) 各フレーバー固有状態は3つの質量固有状態の線形結合ということになり、それぞれの混合の具合を混合角(θ12, θ23, θ13)で表します。 これまでの実験から、θ12とθ23は、ある精度でもって測定がなされており、ゼロでないことが分かっていましたが、θ13だけは上限値しか分かっていない状態が長く続いていました。 この θ13 も去年あたりから原子炉からのニュートリノを検出するいくつかの実験により、 ようやく測定することができるようになってきました。 T2K実験ではこの角度を， 未だ確認されていなかった電子ニュートリノ出現現象による νμ→νe 振動を発見し、 その出現頻度から測定しました。これを達成できたのは、J-PARCで生成される極めて純度の高いνμビームと、スーパーカミオカンデでのνμ反応とνe反 応の高感度な識別能力のおかげです。また、J-PARCで生成されたニュートリノによる事象であることを保証するために、加速器のビームタイミングとスー パーカミオカンデでの観測時刻を、GPSを使って確認を取っています。図3は、スーパーカミオカンデで観測された、J-PARCからのニュートリノによるνe反応事象候補の例で、電子ニュートリノが中性子と反応してできた電子によるチェレンコフリングが観測されています。
図3 : スーパーカミオカンデで観測されたJ-PARCからのニュートリノによる電子ニュートリノ反応事象候補。電子ニュートリノが中性子と反応して生成された電子によるチェレンコフリングが観測されている。
T2K実験は、2010年1月に本格的に実験を開始してから、2011年3月11日の東日本大震災により加速器が停止するまでの間に、1.43×1020POT で 表される統計量のデータを取得しました。“POT”とは“Protons on Target”の略で、ニュートリノを作るために最初にグラファイト標的に照射した陽子ビームの量を表しています。これは、T2K実験の先駆的な実験で あったK2K実験が5年間に溜めた量を既に超えている量です。これはまさにJ-PARC加速器の性能の良さを示していると言えます。
こ れまでにT2K実験が取得した全データを解析した結果、 J-PARCからのビーム由来と考えられるニュートリノ事象を、スーパーカミオカンデ内で総計532個検出しました。 そのうち、バックグラウンドを除外するためのいくつかの判断基準に照らし合わせたのち、28事象で電子ニュートリノによる電子の生成が検出されました。 一方、νμ→νeの ニュートリノ振動が起こらなかったと仮定してシミュレーションを行った場合、スーパーカミオカンデで検出される電子生成の事象は 4.6 事象であると見積もられました。 この結果を統計的に考えると、今回検出された28事象が全て統計誤差によるものである確率は1兆分の1以下です。 つまり、 この28事象の検出が電子ニュートリノ出現現象であると言える確率は 99.9999999999%以上となります。 この結果は電子ニュートリノ出現現象の存在を決定付ける、 世界初の成果です。 図4は、再構成されたニュートリノのエネルギー分布で、 誤差棒付きの点がデータ、 ヒストグラムがモンテカルロシミュレーションで予想される分布を表しています。 緑色の部分は、 νμ→νe 振動とは関係のない背景事象による部分、 赤い領域は、 νμ→νe 振動を仮定したときに予想される電子ニュートリノ出現現象の量を表しています。 電子ニュートリノへの振動が無い、 すなわち赤い領域が無い場合は、 実験結果と全く合わないことがこのプロットからも見られます。
図4 : 電子ニュートリノ出現事象の、データ（誤差棒付きの点）とモンテカルロシミュレーション（ヒストグラム）の比較。緑色は背景事象による分布、赤い部分は電子ニュートリノ出現事象の存在を仮定したときに予想される電子ニュートリノの量。
ニュートリノ混合角θ13を 測定することの大きな意味は、 何故現在の宇宙のほとんどが物質でできているのか、その謎の根源とも言えるCP非対称性を探る重要な一歩となることです。クォークセクターのCP非対称性はすでに測定されていますが、現在の宇宙の物質・反物質の非対称を全て説明できるほど大きくないことが分かっています。したがって、物質・反物質の非対称性には他にも源があると考えられており、その1つの候補がレプトンセクターのCP非対称性です。このレプトンセクターのCP非対称性は、θ13がゼロだと原理的に観測できないことが理論的に分かっているので、今回のθ13の測定結果は、レプトンセクターのCP非対称性の測定に道を開く非常に大きな意味を持っています。
現在の取得データ量は、当初の目標の約2%です。 今後はこの度の結果をより確実なものとするため、 データ量を増やしていくとともに、 反ニュートリノの振動現象を詳細に調べ、 レプトンセクターのCP非対称性に迫っていく予定です。