Thesis or Dissertation Double Chooz前置検出器を用いたステライルニュートリノ探索に関する研究

清水, 沙也香

pp.1 - 101 , 2015-03-25
Description
ニュートリノとは素粒子標準模型における電荷がゼロのレプトンの総称であり、ペアである荷電レプトンに対応する三種類のフレーバー固有状態Ve,Vμ,Vτが存在する。各フレーバーのニュートリノの存在確率は時間発展に応じて変化する事が知られており、ニュートリノ振動と呼ばれている。この現象はフレーバー固有状態が牧-中川-坂田(MNS)行列により質量固有状態V₁,V₂,V₃の重ね合わせで記述されることで説明される。一方、標準模型ではニュートリノの質量はゼロであり、ペアの荷電レプトンにのみ転換するため、ニュートリノ振動が起こるためには標準模型の拡張が必要である。したがって、ニュートリノ振動パラメータの理解は標準模型を超えた物理探索への手がかりとなる。θ₁₂,θ₂₃は過去のニュートリノ振動実験の測定結果から精度良く求められており、近年まで未測定であった混合角θ₁₃に関しても、2012年に有限値が発見されて以降精密測定が進み、いよいよ三世代振動の詳細が明らかになりつつある。その反面、ニュートリノを巡っては未だ様々な謎が残されており、その一つがニュートリノの世代数である。1995年のLSND実験、2011年のMiniBooNE実験は△㎡~1eV²に相当する反電子ニュートリノの超過を確認し、第四世代のニュートリノの存在を要求する結果を示した。質量がZボソンの半分以下の弱い相互作用をするニュートリノは三世代であるというLEPの実験結果を考慮すると、第四世代のニュートリノは弱い相互作用をしないステライルニュートリノであると考えられる。加速器実験の結果に加え、Gallium実験・原子炉ニュートリノ実験の結果でも異常が見られており、これらはステライルニュートリノが存在するとして矛盾なく説明できる。またステライルニュートリノは暗黒物質の候補や物質優勢宇宙への手がかりとしても非常に注目の高まっている新粒子であり、現在様々な探索実験が提唱されている。本研究ではDouble Chooz前置検出器を用いてステライルニュートリノの探索もしくは存在可能な領域に制限をかけることを最終目標とし、今後の測定により得られる探索感度の予測を行った。原子炉ニュートリノ振動実験Double Choozはニュートリノ混合角θ₁₃の精密測定を目的とした国際共同実験である。フランス、EDF社が運用するChooz(France)原子力発電所の出力4.2GWthの二基の原子炉から飛来するニュートリノを同型の二基の検出器を用いて測定を行う。原子炉から約1kmに位置する後置検出器は2011年4月に測定を開始、解析が進められ、2014年7月には467.90日分のデータを用いた最新の振動解析結果を公表している。原子炉から約400mに位置する前置検出器は今年度中に測定を開始する予定であり、これによりニュートリノフラックスなどの系統誤差を大幅に低減し、高精度でのθ₁₃測定が見込まれる。本論文では、最新の振動解析結果を示すともに、先発信号のエネルギースペクトル中に見つかった未知の構造の原因について検証を行った。このスペクトルの歪みは、エネルギースペクトルのシェイプを用いたステライルニュートリノ探索に影響する。ステライルニュートリノは弱い相互作用をしないため、活性な三世代ニュートリノとの混合の測定でのみ探索が可能である。Double Chooz前置検出器は原子炉から比較的近距離に設置されており、ステライルニュートリノがある範囲の振動パラメータを持つ場合、ニュートリノのエネルギースペクトルの微細な歪みや観測量の欠損を見ることができる。そこで前置検出器での測定を想定したモンテカルロ法によるシミュレーションサンプルを作成し、振動パラメータがエネルギースペクトルの構造に与える影響について考察した。続いて、複数の測定環境・解析手法を想定した場合の統計誤差・系統誤差の見積もりを行い、X²検定による探索感度の予測を行った。その結果、△㎡₄₁=0.01~0.5eV²の軽い領域に対しては、欠損量とシェイプの解析により最も良い時でsin²θ₁₄~0.02(95%C.L.)までの感度があり、他の原子炉実験の結果に対し競争力を持つことを示した。また△㎡₄₁>0.01~0.5eV²の重い領域に対しては、欠損量より上限値sin²θ₁₄~0.2(95%C.L.)を設定でき、原子炉ニュートリノ異常の結果に制限が可能だとする予測結果を得ることが出来た。
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