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KL→π0 ν ν崩壊の探索と将来の感度向上に関する研究

上路, 市訓 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k22873

2021.01.25

概要

本論文は、ＣＰ対称性を破る長寿命中性Ｋ中間子の稀崩壊モードKL → π0νν¯ を探索し、素粒子物理学の標準模型を超える新しい物理を探索した結果について報告している。クォークセクターにおけるＣＰ対称性の破れは、標準模型においては小林・益川理論により説明できる。しかし、我々の宇宙には反物質はほぼ存在せず物質だけで構成されており、この事実は小林・益川理論では説明できない。このため、標準模型を超える様々な新しい物理が考案されている。KL → π0νν¯ 崩壊はＣＰ対称性を破る新しい物理に対する感度が良く、その探索は素粒子物理学において重要な研究課題となっている。これまで数々の実験で探索が行われてきたが、まだ発見には至っていない。信号の崩壊分岐比は１億分の１以下と分かっており（理論予想は３×１０−１１）、発見するためには大強度のＫ中間子ビームと徹底したバックグラウンド事象の除去が必要である。本論文は、大強度のＫ中間子ビームをつかった実験で、その実験手法、 バックグラウンド事象の除去方法、シグナル事象の効率的な選択手法、を開発することにより、世界最高感度でKL → π0νν¯ 崩壊を探索した研究結果について報告している。

論文は大きく４部構成となっている。第１部は、Ｋ中間子研究の歴史、KL → π0νν¯ 崩壊の物理過程、標準模型を超えた新しい物理模型、これまで行われたKL → π0νν¯ 崩壊実験のレビューである。特に、小林・益川理論で予想されるKL → π0νν¯ 崩壊の物理過程と新物理による崩壊との違いについて丁寧に解説している。第２部は、大強度陽子加速器施設Ｊ−ＰＡＲＣにおけるKL → π0νν¯ 崩壊探索実験であるＫ０ＴＯ実験についてである。その実験原理、中性Ｋ中間子ビーム生成法、Ｋ０ＴＯ実験の検出器群、データ収集システム、データの処理手法、検出器の較正方法について詳しく説明している。第３部は物理解析について記述しており、シミュレーション、KL 崩壊事象の再構成、そしてデータの解析、とその結果について報告している。Ｋ０ＴＯ実験では、世界記録の１０倍以上という高い感度でKL → π0νν¯ 崩壊を探索することに成功したが、信号の発見には至らならかった。そのため、KL → π0νν¯ 崩壊への分岐比に３×１ ０−９という、これまでよりも１０倍厳しい上限値を設定した。第４部では、信号を発見できなかったことを受け、今後どのようにすれば小林・益川理論が予言する３×１ ０−１１まで探索感度を向上させ、新物理の発見が期待できるかを考察している。この章では、加速器の性能向上に加えて、中性Ｋ中間子ビームの品質向上、検出器およびデータ収集システムの改善、そして新しい解析手法の導入等、次の研究への指針が多く与えられている。

以上の通り、本論文の結果は、高感度で崩壊信号を探索し、バックグラウンド事象を大幅に削減することで、世界最高感度でKL → π0νν¯ 崩壊を探索することに成功したすばらしい科学的成果である。ただし、今回のＫ０ＴＯ実験で収集した崩壊Ｋ中間子数はまだ十分ではなく、その発見には至らなかった。しかし、本研究は世界最高感度での探索であり、素粒子物理学のＣＰ対称性の研究において非常に重要な結果となっている。更に、発見に至らなかった点を詳細に分析し、その改善方法についても明確な指針を与えている。本論文で検討した改良を施すことで、新しい物理模型に感度がある、より高精度な実験が今後期待できる。

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