[論文レビュー] The Hyper-Kamiokande Experiment

M. Yokoyama|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用数 11

ひとこと要約

超大アルカリ水チェレンコフ検出器（Hyper-Kamiokande, HK）は、日本における次世代の水チェレンコフ検出器であり、ニュートリノの振動、陽子崩壊、および宇宙からのニュートリノを、かつてない感度で研究することを目的としている。260 ktonの有効質量と高度な50 cmフォトマルチプライヤー管（PMT）を用いることで、70%のニュートロンタグ効率を達成し、陽子寿命の感度を1.7×10³⁴年まで向上させ、δCP=0°または180°のとき、ニュートリノにおけるCP対称性の破れを7.2°の95%信頼区間で探査可能である。

ABSTRACT

Hyper-Kamiokande (HK) is a next generation large water Cherenkov detector to be built in Japan, based on the highly successful Super-Kamiokande detector. HK will offer a broad science program such as neutrino oscillation studies, proton decay searches, and neutrino astrophysics with unprecedented sensitivities. This paper describes the overview and physics potential of HK.

研究の動機と目的

• ニュートリノ振動の研究、陽子崩壊の探索、ニュートリノ天体物理学への感度を向上させた次世代の水チェレンコフ検出器の開発。
• 高度なフォトマルチプライヤーと最適化されたイベント再構築により、ニュートロンタグ効率を向上させ、陽子崩壊の検出感度を向上。
• 加速器ニュートリノと大気ニュートリノの両方を用いて、レプトン系におけるCP対称性の破れを高精度で測定。
• 加速器ニュートリノと大気ニュートリノのデータを統合し、地球の核を通過する際の物質効果を活用することで、ニュートリノ質量階層を解明し、θ₂₃のオクタントを特定。
• 正確に校正されたニュートリノビームを用いて、ニュートリノ-核反応および未知の物理学の長期的かつ高感度な研究を可能に。

提案手法

• 8 km南に位置し、標高1,750 m.w.e.の深度にある、2基の60 m高さ、74 m直径の円筒形水チェレンコフ検出器を設置。合計で260 ktonの有効質量（1タンクあたり190 kton）を確保。
• 内側の検出器に、40,000個の高性能50 cm PMT（Hamamatsu R12860）を設置。これにより、40%の光感受面積を実現し、Super-KamiokandeのR3600と比較して、2倍の光子検出効率と時間分解能を達成。
• 外側の検出器に6,700個の20 cm PMTを設置し、粒子識別とバックグラウンド抑制を実現。
• 中性子タグの実現のため、n+p→d+γ反応で発生する2.2 MeVのγ線を検出することで、陽子崩壊探索における大気ニュートリノバックグラウンドを抑制。
• νₑの出現およびνₘの消失チャンネルからの再構築されたニュートリノエネルギースペクトルに対して、ビン化された尤度解析を実施。システムティックな不確実性は誤差行列を用いて統合。
• 加速器ニュートリノデータと大気ニュートリノデータを統合し、地球の核を通過する際の物質効果を活用することで、質量階層とθ₂₃のオクタントに対する感度を向上。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hyper-Kamiokandeは、p→e⁺π⁰崩壊モードにおいて、陽子寿命の感度を1.7×10³⁴年まで達成できるか？
• RQ2 HKは、特にδCP = 0°または180°の場合に、レプトン系におけるCP対称性の破れにどの程度の感度を有するか？
• RQ3 10年間のデータを用いて、HKは大気ニュートリノのみでニュートリノ質量階層を解明できるか？
• RQ4 δCPの測定における予想される不確実性は、時間とともにどのように変化するか？また、真のδCPの値に依存するか？
• RQ5 ビームと大気ニュートリノデータを統合することで、θ₂₃のオクタントおよび質量階層に対する感度はどのように向上するか？

主な発見

• p→e⁺π⁰崩壊モードでは、信号効率が18.7%、自由陽子領域のバックグラウンドレートが0.06 /Mton·yrであり、ニュートロンタグ効率は70%に達する。
• p→ν̄K⁺崩壊モードでは、K⁺→μ⁺ν崩壊に対して、即時γ線タグを用いると信号効率が19.4%に達し、K⁺→π⁺π⁰では14.9%に達する。バックグラウンドレートは0.62 /Mton·yrである。
• 10年間のデータを用いることで、sinδCP=0のCP保存状態は、δCPの78%の値で3σ以上、62%の値で5σ以上に有意に除外可能である。
• 10年間のデータ後、δCPの95%信頼区間における不確実性は、δCP = 0°または180°のとき7.2°、δCP = ±90°のとき21°に達する見込みである。
• 大気ニュートリノデータを10年間集積した後、sin²θ₂₃ > 0.45の仮定のもとで、HKは5年目までにニュートリノ質量階層を3σ以上で解明可能である。
• Δm²₃₂の不確実性は1%未満、sin²θ₂₃の不確実性はsin²θ₂₃ = 0.5のとき0.015、sin²θ₂₃ = 0.45のとき0.006にまで低下し、高精度な振動パラメータ測定を実現する。