【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】17K14268 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子標準模型 / 超対称性 / LHC加速器 / ATLAS実験 / データ収集システム / エレクトロニクス / FPGA / DAQ / 素粒子 / 陽子陽子衝突 / トリガーシステム / 宇宙の始まり / LHC / ATLAS / トリガ / 素粒子実験 / 加速器

【研究成果の概要】

本研究課題ではCERN研究所の最高エネルギー陽子陽子衝突型加速器LHCにおいて、ATLAS検出器を用いた高純度の衝突データ取得を可能にするデータ収集システムを構築し、高統計データを用いて超対称性粒子の発見に挑戦した。多くの異なる検出器を有機的に統合することで、大幅な背景事象抑制を可能にするトリガーシステムの構築を完遂した。取得した大統計衝突データを用いて超対称性粒子の探索を行い、100 GeVからTeVのオーダーの質量を持つ超対称性粒子グルイーノ、電弱ゲージーノの研究を遂行した。本研究成果によって超対称性模型の理解を大きく進め、今後の素粒子標準模型を超えた新しい理論の研究の重要な指針となった。

【研究の社会的意義】

本研究の成果として、最新のエレクトロニクスの技術を駆使し先進的なトリガーシステムの構築に成功した。高速データ通信技術と大規模回路実装技術を組み合わせることで、リアルタイムの大規模データ処理を実現した。これは将来の加速器実験の大規模データ収集システム系の基礎となる重要な成果である。
また未開拓であった100 GeVからTeVスケールの質量を持つ超対称性粒子の理解を大きく進めることができた。この新たに得た知見は素粒子標準模型を超える新しい物理理論の今後の研究指針となる重要な成果であり、学術的意義は大きい。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2022-03-31

【配分額】4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)

【研究分野】量子ビーム科学

【研究領域課題番号】25286089 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

粒子線加速器 / パルス電磁石 / 飽和 / テスラ / 高電圧 / 非線形 / 大電流 / 荷電粒子 / 高エネルギー粒子 / 加速器 / 核融合 / 矩形 / 時間 / 加速器要素技術開発 / パルス / 電磁石 / 高電圧・大電流 / 素粒子 / ミュオン / キッカー

【研究成果の概要】

テスラ級キッカーシステムに関して、電磁石原型機を製作し、性能評価試験を実施した。その結果、目標以上の1.3T/0.9μsを達成した。実際の高エネルギー粒子との相互作用を確認するべく、高エネルギー加速器にインストールし、100 MeV 陽子の軌道制御を試みた。その結果、想定通りの軌道変位が確認でき、原理実証完了と判断した。磁石構造を変え、飽和条件と非飽和条件での比較も行い、飽和条件での早い立ち上がりと、フラットトップの形成も確認できた。これらを基盤とした広範囲な応用の検討も行い、高エネルギー粒子科学だけでなく、育種や、医学利用への展開も拓けたため、それぞれ新たに研究をスタートさせる予定である。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】24244030 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子 / ニュートリノ / 加速器 / ビーム / CP対称性 / ニュートリノ振動 / 素粒子実験 / 光子検出器

【研究成果の概要】

ニュートリノ振動の研究を中心に、反ニュートリノを使った基礎研究、次世代大型ニュートリノ実験に向けた開発研究をおこなった。T2K実験で、ミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動の信号を観測し、7.3σの信頼度で電子ニュートリノ出現を発見した。電子ニュートリノへの振動の確率を測定し、世界で初めてニュートリノCPの破れに制限を課した（δCP=-0.5πが最適値）。反ニュートリノビームを生成し、反ニュートリノ振動のパラメータを世界最高精度で測定した。
次世代実験ハイパーカミオカンデを使ったCPの破れの測定感度を調べた。また、高性能光センサーの開発に成功した（浜松フォトニクスと共同開発）。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2012-04-01 - 2017-03-31

【配分額】45,890千円 (直接経費: 35,300千円、間接経費: 10,590千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】17340083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

Bファクトリー / 加速器 / 素粒子実験 / Bファクトリ / 素粒子 / CP対称性の破れ / 標準模型 / 宇宙

【研究成果の概要】

高エネルギー加速器研究機構で検討されているSuper KEKB Bファクトリーなどの衝突型加速器の衝突点近傍のビームパイプの形状を、ビームのプロファイルに合わせて極小化し、測定器を衝突点に近づける可能性を検討した。これまでの加速器デザインでは、電子・陽電子ビームの電流が大きい、ビームの大きさが大きい、などの理由で超扁平型ビームパイプの工学設計には大きな問題がある事がわかった。しかしながら、加速器グループが最終年度後半になって検討を開始したナノビームオプションでは、超扁平型ビームパイプ使用の可能性が大きく高まった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】17,570千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 2,670千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】15540297 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子実験 / 測定器 / 加速器 / Bファクトリ / 素粒子 / ビームパイプ / Super KEKB / B中間子 / 超対称性 / 衝突点ビームパイプ / Bファクトリー / Geant4 / B->Dτν / Bs mixing

【研究成果の概要】

超扁平形衝突点ビームパイプの設計のための様々なスタディを行った。昨年度のスタディに基づき、ビームパイプ内側の形状を高さ1mm、幅10mm、長さ16mmとして設計を進めることにした。次に、ビームパイプの材質と、形状、厚さ等について検討した。材質については、純ベリリウムを採用した。厚さについても、500マイクロンとした。厚さについては、2mmとした。これらの設計値を元に、昨年に引き続いて測定器等のシミュレーションツールである、Geant4を利用して、幾つかの物理プロセスのシミュレーションを行った。本年度は、bクォーク対発生によるB中間子生成の事象と、その他のクォーク対発生の事象との区別が出来ないかを中心に調べた。解析対象の反応として、その他のクォーク対発生の事象が、混同しやすいと思われる、B中間子が二つの軽い荷電粒子に崩壊する反応について、調べた。CP側(B→Kpi)のバーテックスの検出精度が、超扁平形衝突点ビームパイプ使用事は、通常の半径1.5cmのビームパイプ使用時と比べて、z方向の精度(分解能)が約49マイクロンから15マイクロンへ改善されることがわかった。タグ側(B中間子の不例バーを測定する側)では、同じく103マイクロンが24マイクロンへと大きく向上することがわかった。タグ側と、CP側の崩壊位置のZ座標の差に関しては、130マイクロンが38マイクロンへと向上する。通常のクォーク対生成の場合は、Zの崩壊位置の差は0を中心に分布するので、検出精度が高ければ高いほど、通常のクォークついのイベントを抑制する事が出来る。この結果、信号雑音比において、CP側の崩壊モードによって約13から60%の向上が見られることがわかった。この結果は、2004年11月16~17日にKEKで行われた、第6回ハイルミノシティワークショップで海野が発表した。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2003 - 2004

【配分額】3,600千円 (直接経費: 3,600千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】13852002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ニュートリノ / ニュートリノ質量 / ニュートリノ振動 / 加速器 / フレーバー物理 / 測定器 / ニュートリノ反応 / フレーバー混合 / 素粒子 / フレーバー / パイ中間子 / ミューオン / 陽子 / シンチレーター

【研究成果の概要】

本研究では、加速器で生成したニュートリノビームを使って世界で初めてニュートリノ振動現象を確認した。1999年から2004年にかけて収集した92E18陽子/標的の全データを使い、スーパーカミオカンデで112加速器ニュートリノ事象を観測した。ニュートリノ振動無しの予測は158.4事象で、3σの優位度でニュートリノ振動によるミューオンニュートリノ消失を確認した。そして新たに設置した前置検出器、SciBarを使ってニュートリノ反応過程を詳細に研究し、ニュートリノエネルギースペクトルの精密測定を行なった。KEKでのニュートリノスペクトルと神岡でのスペクトルを比較し、ニュートリノ振動によるSKでのニュートリノのエネルギースペクトルの変化を確認した。ニュートリノ振動解析を行いニュートリノ振動無しの仮定を99.998%(4.3σ)で却下し、スーパーカミオカンデで発見されたニュートリノ振動を追試することに成功した。また同時に、ニュートリノ混合角sin^22θ=1.0で、ニュートリノ質量の二乗差を90%CLで(1.9〜3.5)×10^<-3>eV^2と世界最高レベルの精度で測定した。またこの結果には、我々がCERNで行なったハドロン生成測定実験(HARP実験)の最新結果も含めており、KEKから神岡へのニュートリノフラックスの外挿の精度を格段に向上させている。また、SciBar検出器では、ニュートリノによる荷電カレントコヒーレントπ生成反応が予想に反して格段に小さいことも発見した。最後にミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動のシグナル、電子ニュートリノ出現事象を探索し、その感度を向上させsin^22θ_<μe><0.13@Δm^2=2.8×10^<-3>eV^2と上限値を設定した。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2001 - 2005

【配分額】126,880千円 (直接経費: 97,600千円、間接経費: 29,280千円)

【研究分野】素粒子・原子核・宇宙線・宇宙物理

【研究領域課題番号】13304016 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

素粒子 / 加速器 / CP非保存 / 対称性 / 半導体検出器 / B中間子 / 標準理論 / 超対称性

【研究成果の概要】

1.B中間子CP非保存現象の精密測定による新しい物理の探索
中性B中間子がファイphi中間子とKS中間子に崩壊する過程のCP非対称度が、標準理論による期待値からずれている可能性を見つけた。本研究で1億5200万個のB中間子反B中間子ペアのデータから、1つの中性B中間子がphi中間子とKS中間子に崩壊する事象を68例見つけた。それらの事象について、時間に依存するCP非対称について測定を行なった。その結果、非対称度の測定値は、S=-0.96+-0.52で、J/psi KSの非対称度測定から得られているS=+0.733+-0.057+-0.028からずれている。このずれが新しい物理に起因するかどうか確定するには、更に統計精度を向上させる必要があるが、全く予想もしていなかった大変興味深い結果である。
2.中性B中間子のpi+pi-崩壊における大きなCP非対称の発見
中性B中間子の二つの荷電パイ中間子への崩壊は、CP非対称の出現が期待される崩壊モードの一つであるが、分岐比が10-6と小さく、かつグルーオンを含むプロセスからの寄与もあり、CP非対称かどうか決定することができなかった。本研究で統計精度の向上に成功し、約370個のpi+pi-崩壊を含むB中間子反B中間子ペアを用いてCP非対称パラメータの解析を行い、世界で初めてCP非対称を証明することに成功した。
3.B中間子の非常に稀な崩壊の測定
超対称性など標準理論を越える新しい物理の出現が期待されるbクォークの電子陽電子ペア又はミューオンペアへの分岐を世界で初めて測定した。我々は、2つのモードの平均として、(4.39+-0.84(+0.78-0.73))×10-6と決定し、新しい物理からの寄与に強い制限を与えた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】53,170千円 (直接経費: 40,900千円、間接経費: 12,270千円)