T2K実験において、J-PARCから出射された反ミューニュートリノビーム中に、3個の反電子ニュートリノ事象候補をスーパーカミオカンデで観測
スーパーカミオカンデで観測されたT2K実験による反電子ニュートリノ事象候補
宇宙において物質の存在が反物質よりも非常に上回っていることは、物質と反物質とで異なる何か隠れた物理法則が存在することを直接示しています。この新たな法則を探索する際に焦点となる１つの現象が、近年発見されたニュートリノ振動です。その新たな物理法則の探索には、ニュートリノ振動と反ニュートリ振動の比較が必要になると考えられています。
今回、T2K実験グループは反ミューニュートリノビーム中に3個の反電子ニュートリノ事象を観測しました。これはT2K実験で最初の反ニュートリノ出現事象探索の結果です。反ミューニュートリノ消失現象に関しては今年すでに観測していますので、こちらをご覧ください。ニュートリノや反ニュートリノの出現現象や消失現象はニュートリノ振動と呼ばれ、ニュートリノの質量固有状態とフレーバー固有状態の量子力学的干渉によって起こります。
T2K実験は2014年5月に反ニュートリノモードでのデータ取得を開始し、2015年6月に最初のランを終了しました。その間、反ニュートリノデータの取得目標の10%にあたるデータを取得しました。それより以前は、2010～2013年にかけてニュートリノモードでデータを取得し、ミューニュートリノビームからの電子ニュートリノ出現現象の存在を確実にしました。そのニュートリノモードの結果をもとにすると、反ニュートリノモードのデータ中には1.8個の背景事象を含む3.8個の反電子ニュートリノ事象が期待されました。しっかりした結論を引き出すには3個の事象数ではまだ少なすぎるということはありますが、今回の結果はT2K実験における最初の反電子ニュートリノの結果になります。
3個の反電子ニュートリノ事象候補に対して観測された電子の角度と運動量の分布。3個の黒点はデータを表し、色付けされた背景のヒストグラムは、ニュートリノモードの結果をもとに期待される分布を表す。
これらの事象観測は、T2K実験が反ニュートリノ振動探索を行う高い能力を持っていることを実証するものです。T2K実験はこの秋に再び反ニュートリノモードで実験を行い、現在手にしているよりも2倍以上のデータを取得する予定です。そのデータは反電子ニュートリノ出現事象を明らかに観測するのに十分な量となるでしょう。
反電子ニュートリノ出現事象の探索は、CP対称性‐反物質を鏡を通して左右反対に見たときに物質と同じ振舞をすることを規定する性質‐の研究における次の段階となるものです。ニュートリノにおけるCP対称性の破れは、反ニュートリノがニュートリノとは異なる振動を行う現象として現れます。そしてもしそれがあれば、今日の宇宙で物質と反物質でが非対称に存在している（物質ばかりで反物質がほとんどない）起源を解く強力な手ががりになります。
T2K実験でのニュートリノモードの結果は、CP対称性がニュートリノによって破れているかもしれないという示唆を初めて与えました。もしそうだとしたら、反電子ニュートリノ出現事象の頻度は抑制されることになります。しかし、現在の統計量ではそれに関してまだ確かなことは言えません。したがって、T2K実験では大きな信号量を得るために十分多くのデータを溜める必要があり、そのためには十分長時間にわたってランを継続する必要があります。
T2K実験グループは、今回の反電子ニュートリノ出現現象の結果を発表すると同時に、反ミューニュートリノ消失現象の観測結果も更新しました。この解析では、反ミューニュートリノ事象選別後に103.6個の事象が観測されると期待されましたが、実際に観測されたのはたった34個でした。この明らかな反ニュートリノ消失の信号は、T2K実験グループが持っている反ニュートリノ混合角に対する世界最高精度をさらに向上させました。
これらの結果は、Melody Ravonel Salzgeber博士（ジュネーブ大学）がウィーンで開かれたヨーロッパ物理学会高エネルギー物理学部会(EPS-HEP 2015)において7月23日に発表し、続いて田中秀和博士（東京大学宇宙線研究所）がKEK/J-PARCで開かれたセミナーで、Kendall Mahn教授（ミシガン州立大学）が米国フェルミ加速器研究所で開かれたセミナーでそれぞれ発表しました。
これらの結果はJ-PARC加速器施設の多くの協力により得ることができました。
