ダブルショーのソースを表示

[[Image:logo DChooz.jpg|thumb|ダブルショーのロゴ]]
'''ダブルショー'''（'''Double Chooz'''） は、[[フランス]]の{{仮リンク|ショー (アルデンヌ県)|en|Chooz, Ardennes|fr|Chooz|label=ショー}}で行われている短基線[[ニュートリノ振動]]実験である。[[電子ニュートリノ]]から他のニュートリノへの変化に関与しているニュートリノ振動パラメータである{{仮リンク|PMNS行列|en|PMNS matrix|label=''θ''<sub>13</sub>混合角}}を測定又はその値に制限を与えることを目的としている。この実験では[[ショー原子力発電所]]の原子炉をニュートリノ源として、ニュートリノフラックスを測定している。原子炉から400メートル及び1,050メートルの2か所に検出器を有し、そのうちの1つの検出器は前身である{{仮リンク|ショー実験|en|Chooz (experiment)}}の検出器と同一の場所に設置されている。2015年1月までは、後置検出器 (far detector)でのみデータが取られていた。前置検出器 (near detector)は建設が遅れて2014年9月に完成し<ref>{{Cite news|url = http://www.cea.fr/english-portal/news-list/inauguration-of-second-neutrino-detector-for-dou-142877|title = Inauguration of second neutrino detector for Double Chooz experiment|date = 25 September 2014|work = |accessdate = }}</ref>、2015年初頭からデータを収集している。 

== 検出器の概要 ==
ダブルショーは2つの同一の[[ガドリニウム]]を添加した[[シンチレーション検出器|液体シンチレータ検出器]]を用いている<ref name="MikSin2000">{{Cite journal |arxiv=hep-ex/9908047 |doi=10.1134/1.855739 |last1=L |first1=Mikaelyan and |last2=V |first2=Sinev |title=Neutrino Oscillations at Reactors: What Is Next? |journal=Physics of Atomic Nuclei |volume=63 |issue=6 |page=1002 |year=2000|bibcode=2000PAN....63.1002M }}</ref>。検出器は反ニュートリノの消失を測定するために、2つの熱出力4.25 GWの原子炉の近くに設置されている。２つの検出器は原子炉から400メートルのものが「前置」、原子炉から1,050メートルのものが「後置」と呼び分けられる。後置検出器は宇宙線ミュー粒子に対して300メートル水当量の遮蔽能力がある丘の中に設置されている。検出器自体は4つの同心円状円柱容器からなるカロリメトリック液体[[シンチレータ]]である<ref name="arxiv2">
{{Cite journal|last=Ardellier |first=F. <!-- Load PDF for list of authors, arxiv summary page is wrong -->
 |display-authors=etal
 |year=2006
 |title=Double Chooz: A Search for the Neutrino Mixing Angle ''&theta;''<sub>13</sub>
 |arxiv=hep-ex/0606025
|bibcode=2006hep.ex....6025G
 }}</ref><ref name="arxiv3">
{{Cite journal
 |last1=Abe |first1=Y.
 |display-authors=etal.
 |collaboration=Double Chooz Collaboration
 |year=2014
 |title=Improved measurements of the neutrino mixing angle θ<sub>13</sub> with the Double Chooz detector
 |journal={{仮リンク|Journal of High Energy Physics|en|Journal of High Energy Physics|label=Journal of High Energy Physics}}
 |volume=2014 |issue=10
 |page=86
 |arxiv= 1406.7763
 |bibcode= 2014JHEP...10..086A
 |doi=10.1007/JHEP10(2014)086
}}</ref>。

=== ニュートリノ標的とγキャッチャー ===
最も内側は直径230&nbsp;cm、高さ245.8&nbsp;cm、厚さ0.8&nbsp;cmの[[アクリル樹脂]]製容器である。この容器はガドリニウム(Gd)を1 グラム/リットル付加した10,000リットルの液体シンチレータで満たされており、これがニュートリノ標的となる。その次の外層はγキャッチャーである。これはニュートリノ標的を取り囲む厚さ55&nbsp;cmのGdが付加されていない液体シンチレータ層である。γキャッチャーのケースは厚さ12&nbsp;cmでニュートリノ標的の容器と同じ素材でできている。どちらの容器も波長400&nbsp;nm以上の光子が透過するように、この素材が選ばれた<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

=== バッファー容器とPMT ===
バッファー容器は、幅552.2&nbsp;cm、高さ568.0&nbsp;cm、厚さ0.3&nbsp;cmのステンレス鋼304L製である。アクリルの二重容器で占められていない残りの内部空間はシンチレータではない鉱油で満たされている。バッファー容器の内面には390個の10インチ[[光電子増倍管]](PMT)がある。バッファー層の目的はPMTと周囲の岩盤の放射能に対する遮蔽である。ニュートリノ標的とγキャッチャーにこれらを加えたものをまとめて「内部検出器」(inner detector)と呼ぶ <ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

===内部と外部のベトー===
内部[[ニュートリノ検出器#バックグラウンド低減|ベトー]]はバッファー容器を厚さ50&nbsp;cmのシンチレータである鉱油で取り囲んだものである。さらに、78個の8インチPMTが上部、下部、側部に配置されている。この内部ベトー層はミュー粒子と速中性子に対するアクティブベトーとして機能する。周囲の厚さ15&nbsp;cmのスチールケースが外部のγ線に対するさらなる遮蔽として機能する。外部ベトーは検出器タンクの上部を覆っている。これは5&nbsp;cm x 1&nbsp;cmの直交するストリップからなる<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

===データ収集===
内部検出器と内部ベトーからの信号は、サンプリングレート500&nbsp;MHzの8ビット[[フラッシュADC]]装置によって記録される。検出器のトリガー閾値は、予測される反電子ニュートリノの1.02 MeVよりもはるかに低い350 keVに設定されている<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

数年の間、ダブルショーは後置検出器のみが稼働しており、予測されるフラックスを計算するためにビュジェ4号機のようなモデルを用いてきた。完成した前置検出器によって今後データ収集の精度が向上する予定である。

== 実験技術 ==

===ニュートリノ混合===
[[ニュートリノ]]は電気的に中性で、 弱い相互作用しかしない非常に軽い粒子である。つまり、気付かれることなく長い距離を移動することができる。ニュートリノの特性のひとつは伝搬するにつれ、ある確率で[[ニュートリノ振動]]により[[フレーバー (素粒子)|フレーバー]](<math>e, \mu, \tau</math>)が他のものに変わるというものであり、この原理のもと実験が行われる。ダブルショーの目的は<math> \theta_{13} </math>混合角の値により厳しい制限を与えることである。

1990年代に行われた{{仮リンク|ショー実験|en|Chooz (experiment)}}は<math> \theta_{13} </math>混合角は以下のように制限されることを発見した。

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) < 0.2 </math>

これは10年以上にわたって最も良い実験的上限であった。ダブルショー実験の目的は、以下のようなさらに小さな領域での<math> \theta_{13} </math>角の調査を継続することである。

:<math> 0.03 < \sin^2 (2\theta_{13}) < 0.2 </math>

混合角の観測は原子炉の[[核分裂反応]]によって放出される<math>\bar{\nu}_{e}</math>フラックスの観測によって達成される。予測される原子炉からの<math>\bar{\nu}_{e}</math>フラックスは1日当たりおよそ50個である。一方のニュートリノ質量の2乗差が他方よりはるかに小さいため、ダブルショー実験は2フレーバー間振動のみを考慮すればよい。2フレーバーモデルでは特定のニュートリノの生存確率は次のようにモデル化される。

:<math>P= 1 - \sin^{2}(2\theta_{13})\, \sin^{2} \left(\frac{1.27\Delta m^2_{31} L}{E_{\nu}}\right)\quad \mathrm{(in\; natural\; units).}</math>

ここで、<math> L </math>はニュートリノが移動する距離をメートルで表したもので、<math> E_{\nu} </math>は<math>\bar{\nu}_{e}</math>粒子のエネルギーである。 これにより混合角の値は原子炉ニュートリノの振動強度から測定することができる<ref name="arxiv3" />。

===観測===
原子炉からのニュートリノは[[逆ベータ崩壊]] (IBD)プロセスによって観測される。

:<math>\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n. </math><ref name="arxiv3" />

考慮すべきバックグラウンドが存在するため、(IBD)の候補は以下のように決定される。先発信号の可視エネルギーは0.5から20 MeVの間でなければならず、後発信号のエネルギーは4から10 MeVの間でなければならず、2つの信号の時間差は0.5から150マイクロ秒の間でなければならず、2つの信号のバーテックスの距離は100&nbsp;cm未満でなければならず、そして他の信号（後発信号を除く）が先発信号の200マイクロ秒前から600マイクロ秒後までに見つからないことが要求される。先発信号の検出効率はほぼ100%に達したものの、後発信号を検出することはGd濃度や中性子散乱モデルの問題により容易ではない<ref name="arxiv3" />。

== 成果 ==

===混合角===
2011年11月、''θ''<sub>13</sub>のゼロでない値を示唆する最初の実験結果が[[ソウル特別市|ソウル]]で行われたLowNuカンファレンスで発表された<ref>[http://www.dchooz.org/DocDB/cgi-bin/public/ShowDocument?docid=3393 Herve de Kerret, "First results from the Double Chooz experiment"], talk at the LowNu conference, Seoul, November 2011, via: {{Cite web |url=http://www.doublechooz.org/Status_and_News/status_and_news.php |title=First Results from Double Chooz |accessdate=2011-11-10 |url-status=dead |archiveurl=https://web.archive.org/web/20111112000557/http://www.doublechooz.org/Status_and_News/status_and_news.php |archivedate=2011-11-12 }}</ref><ref name="DC2011">{{Cite journal |arxiv=1112.6353 |doi=10.1103/PhysRevLett.108.131801 |pmid=22540693 |last1=Y |first1=Abe |display-authors=etal |title=Indication for the disappearance of reactor electron antineutrinos in the Double Chooz experiment |collaboration=Double Chooz collaboration |journal=Physical Review Letters |volume=108 |issue=19 |page=131801 |date=28 March 2012|bibcode=2012PhRvL.108m1801A }}</ref>。
2012年の論文では228日のデータを用いて、''θ''<sub>13</sub>が測定され、振動なし仮説は2.9シグマで排除された<ref>
{{Cite journal
 |last1=Abe |first1=Y.
 |display-authors=etal
 |collaboration=Double Chooz Collaboration
 |date=18 September 2012
 |title=Reactor ν¯e disappearance in the Double Chooz experiment
 |journal=[[フィジカル・レビュー|Physical Review D]]
 |volume=86 |issue=5 |page=052008
 |arxiv=1207.6632
 |bibcode=2012PhRvD..86e2008A
 |doi=10.1103/PhysRevD.86.052008
}}</ref>。

水素による中性子捕獲が独立したデータを作成するために用いられ、2013年に別の測定値を得るために分析された<ref>
{{Cite journal
 |last1=Abe |first1=Y.
 |display-authors=etal
 |collaboration=Double Chooz Collaboration
 |year=2013
 |title=First Measurement of ''θ''<sub>13</sub> from Delayed Neutron Capture on Hydrogen in the Double Chooz Experiment
 |journal=[[Physics Letters|Physics Letters B]]
 |volume=723 |issue=1–3 |pages=66–70
 |arxiv=1301.2948
 |bibcode=2013PhLB..723...66A
 |doi=10.1016/j.physletb.2013.04.050
}}</ref>。

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) = 0.097\pm 0.034 \, \mathrm{(stat)} \pm 0.034\, \mathrm{(syst)}. </math>

原子炉停止時のデータを用いたバックグラウンドの独立した測定値<ref>
 {{Cite journal
 |last1=Abe |first1=Y.
 |display-authors=etal
 |collaboration=Double Chooz Collaboration
 |year=2014
 |title=Background-independent measurement of ''θ''<sub>13</sub> in Double Chooz
 |journal=[[Physics Letters|Physics Letters B]]
 |volume=735 |issue= |pages=51–56
 |arxiv=1401.5981
 |bibcode=2014PhLB..735...51A
 |doi=10.1016/j.physletb.2014.04.045
}}</ref>が2014年7月に''[[Physics Letters|Physics Letters B]]''で公表された。

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) = 0.102 \pm 0.028 \, \mathrm{(stat)} \pm 0.033\, \mathrm{(syst)}. </math>

バックグラウンドと系統的不確実性を低減して改善された467.90日のデータによる測定値が2014年に''{{仮リンク|Journal of High Energy Physics|en|Journal of High Energy Physics|label=Journal of High Energy Physics}}''で公表された<ref name="arxiv3"/>。

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) =  0.090^{+0.032}_{-0.029}. </math>

===その他の成果===
ダブルショーは[[陽電子]]の対消滅を遅らせシンチレーション信号を歪める事象である検出器内での[[ポジトロニウム]]の形成を識別することができた
<ref>{{Cite journal
 |last1=Abe |first1=Y.
 |display-authors=etal
 |collaboration=Double Chooz Collaboration
 |date=October 2014
 |title=Ortho-positronium observation in the Double Chooz experiment
 |journal={{仮リンク|Journal of High Energy Physics|en|Journal of High Energy Physics|label=Journal of High Energy Physics}}
 |volume=2014 |issue=10 |page=32
 |arxiv=1407.6913
 |bibcode=2014JHEP...10..032A
 |doi=10.1007/JHEP10(2014)032 |doi-access=free
 |hdl=1721.1/92880
 }}</ref>。ニュートリノ検出器におけるバックグラウンド除去を改善するためのタグ付けアルゴリズムが開発された。これは[[Borexino]]で宇宙線由来の<sup>11</sup>Cバックグラウンドに対して行われたものと同様である。オルソポジトロニウムの寿命{{Val|3.68|0.15|u=ns}}が測定され、他の専用装置の結果と矛盾しなかった。

ローレンツ対称性の破れのパラメータに対する制限も与えられた<ref>{{Cite journal
 |last1=Abe |first1=Y.
 |display-authors=etal
 |collaboration=Double Chooz Collaboration
 |date=December 2012
 |title=First test of Lorentz violation with a reactor-based antineutrino experiment
 |journal=[[フィジカル・レビュー|Physical Review D]]
 |volume=86 |issue=11 |page=112009
 |arxiv=1209.5810
 |bibcode= 2012PhRvD..86k2009A
 |doi=10.1103/PhysRevD.86.112009
 |hdl=1721.1/76809
 }}</ref>。

== KASKAからの合流 ==
日本において同様な実験として、KASKAが計画されていた。KASKAでは[[柏崎刈羽原子力発電所]]から1.8キロ程度の近距離における[[ニュートリノ振動]]の観測を目指していた<ref>{{Cite journal |arxiv=hep-ex/0502002 |doi=10.1016/j.nuclphysbps.2005.05.039 |author=Masahiro Kuze (for the KASKA Collaboration)|title=The KASKA project – a Japanese medium-baseline reactor-neutrino oscillation experiment to measure the mixing angle θ<sub>13</sub> – |journal=Nuclear Physics B - Proceedings Supplements |volume=149 |pages=160-162 |year=2005 }}</ref>。しかし2006年に予算の問題から、KASKAの研究者たちはダブルショーに合流することとした<ref>{{Cite web|和書|url=http://kaska.hep.sc.niigata-u.ac.jp/kaskaweb/kaska/kaskaweb/announce.html|title=KASKAグループの今後について|date=2009年9月|accessdate=2020/3/17}}</ref>。

==参考文献==
*{{Cite journal
 |last1=Apollonio |first1=M.
 |display-authors=etal
 |year=2003
 |title=Search for neutrino oscillations on a long base-line at the CHOOZ nuclear power station
 |journal={{仮リンク|The European Physical Journal C|en|The European Physical Journal C|label=The European Physical Journal C}}
 |volume=27 |issue=3 |pages=331–374
 |arxiv=hep-ex/0301017
 |bibcode=2003EPJC...27..331A
 |doi=10.1140/epjc/s2002-01127-9
}}
*{{Cite arXiv
 |last=Ardellier |first=F. <!-- Load PDF for list of authors, arxiv summary page is wrong -->
 |display-authors=etal
 |year=2006
 |title=Double Chooz: A Search for the Neutrino Mixing Angle ''&theta;''<sub>13</sub>
 |eprint=hep-ex/0606025
}}
*{{Cite journal
 |last=Huber |first=P.
 |display-authors=etal
 |title=From Double Chooz to Triple Chooz — Neutrino Physics at the Chooz Reactor Complex
 |journal={{仮リンク|Journal of High Energy Physics|en|Journal of High Energy Physics|label=Journal of High Energy Physics}}
 |volume=0605|issue=72|year=2006
 |arxiv=hep-ph/0601266
 |bibcode=2006JHEP...05..072H
 |doi=10.1088/1126-6708/2006/05/072
 |page=072
}}

==脚注==
{{Reflist}}

==外部リンク==
* [http://doublechooz.in2p3.fr/Public/public.php Project Homepage]
* [https://web.archive.org/web/20210418025456/https://dchooz.hep.phys.titech.ac.jp/ ダブルショー日本（Double Chooz Japan）グループ　ホームページ]（アーカイブ。2021年4月18日時点の版）

{{デフォルトソート:たふるしよお}}
[[Category:ニュートリノ実験]]