研究内容
RESEARCH SUBJECTS
低エネルギー中性子を用いた基礎物理実験
我々のグループでは、非常にエネルギーの低い（数百 neV ~ 数 meV）中性子を用いて、様々な基礎物理実験を行っています。
１、中性子は最も単純な原子核の一つであり、およそ900秒で電子、陽子、反ニュートリノに崩壊します。
その崩壊寿命は素粒子標準理論およびビッグバン元素合成理論の精密検証において不可欠なパラメータですが、測定手法間に有意な乖離が見られており、「中性子寿命問題」と呼ばれています。
我々は従来とは異なる手法で中性子の崩壊寿命を精密に測定する実験を行っています。
２、ビッグバン直後の宇宙では粒子・反粒子が対で生成され、その数は常に等しいと考えられます。
しかし、現在の宇宙は反粒子に比べ粒子の数が圧倒的に多く存在しており、これは粒子と反粒子
の性質の間に僅かな違い（CP対称性の破れ）があるためだと考えられています。
我々は中性子を用いて未発見のCP対称性の破れを探索する実験に取り組んでいます。
３、自然界に存在する4つの力の内、重力相互作用は極端に小さく、他の相互作用に比べて検証が進んでいません。中性子は電荷を持たず、分子間力の影響を受けにくいなど、重力以外の相互作用を大きく抑制することが可能です。
この特徴を活かして、重力相互作用の研究を行っています。
CERN-LHC超前方における3世代ニュートリノの測定および未知粒子探索 (FASER実験)
FASER（フェイザー）国際共同実験は、当初、欧州原子核研究機構（CERN、セルン）の大型ハドロンコライダー（LHC）の陽子・陽子衝突に起因する未知粒子探索を目的として提案されました。その後、LHCに起因する未開拓の高エネルギー領域でのニュートリノ研究が同実験地点にて可能なことを見出し、A. Ariga・T. Ariga・F. Klingを中心としてLOIを執筆してLHCでのニュートリノ実験を初めて立ち上げました。現在の加速器によって生成できる最高エネルギーのニュートリノを研究し、未知の高エネルギー領域において3種類のフレーバーのニュートリノに素粒子標準理論を超えた物理の影響があるかを検証することを目指しています。
2018年に実施したFASERνパイロットランの最終結果として史上初めて世界最大・最高エネルギーの衝突型加速器LHCからのニュートリノ反応候補を初観測し、コライダーニュートリノ実験への道を拓きました。2022年に物理ランを開始し、ニュートリノ検出器の運用・読み出し・解析を進めています。2024年には500 GeVから2 TeVのエネルギー領域における電子ニュートリノ・ミューニュートリノの反応断面積の初測定を成功させました。今後、解析を本格的に進展させ、将来計画を推進していきます。
Forward Physics Facility構想
FASER実験を基に、その後の高輝度LHCにおいて高統計タウニュートリノ測定を目指すFASERν2実験のセットアップ・検出器のデザインに取り組んでいます。FASER2実験、FASERν2実験等を含む超前方研究のためのプラットフォームForward Physics Facility (FPF) 構想に参画し、プロポーザルに向けた活動を行っています。FPFは未知粒子探索・ニュートリノ研究・ハドロン研究、宇宙物理にまたがる研究計画です。我々は、FPFにおけるニュートリノ実験を主導し、コライダーを用いたニュートリノ実験を推進していきます。
CERN-SPSにおけるタウニュートリノ生成研究 (NA65実験)
3世代あるニュートリノの中でもタウニュートリノについては、実験データが少なく、その性質を調べる高精度の測定が必要です。NA65/DsTau実験は、CERNのSPS加速器を用いてタウニュートリノの生成を研究する実験です。400 GeV陽子反応で生成されるDS中間子のタウ粒子への崩壊事象を検出し、 DS中間子の微分生成断面積を測定します。タウニュートリノビーム生成の不定性を現在の50%相当から10%以下に減らし、今後のタウニュートリノ研究への重要なインプットとすることを目指しています。
新型半導体検出器の開発（ペロブスカイト半導体）
素粒子実験などの分野で用いられる粒子検出技術の拡大を目指し、シリコンやゲルマニウムなどの既存の半導体に代わる新型半導体検出器の開発を行っています。その中でも、ペロブスカイト半導体は近年、高い光電変換効率を達成しつつ、製作コストの安さや形状の自由度の高さから太陽電池分野にて注目を集めています。太陽電池と粒子検出の基本的な原理は同じことから、ペロブスカイト半導体のこれらの性能に着目し、粒子検出器への応用を目指した研究を行っています。
ペロブスカイト単結晶を用いた試作検出器