T2K、ガドリニウム導入のスーパー神岡観測結果と近接測定でニュートリノ振動と相互作用の理解を前進
日本の長基線ニュートリノ実験T2Kは、電荷・パリティ(CP)対称性の破れを探す研究を進めつつ、ニュートリノ振動のパラメータとニュートリノ—原子核相互作用の断面積(クロスセクション)測定で新しい結果を発表しました。最新解析には、世界的にも注目される遠地検出器スーパー神岡(Super‑Kamiokande、略称SK)へガドリニウム(Gd)を混入した初のデータが含まれます。近接検出器群(ND280など)による高統計の相互作用測定と組み合わせることで、系統誤差の低減を図る取り組みが強調されています。これらはT2K‑II時代の感度向上に向けた重要な進展です。
T2KはJ‑PARCで作ったミュオン(反)ニュートリノビームを295km先のSKまで飛ばします。最新の解析で使われたデータ量は合計21.4×10^21プロトンオンターゲット(POT)で、ビームはSKに対して2.5度オフ軸に向けられエネルギーは約0.6GeVに集中します。SKには2022年以降、超純水に質量比0.03%のガドリニウムが加えられ、ガドリニウムに捕獲された熱中性子が約8MeVのガンマ線連鎖を出すことで高効率の中性子タグ付けが可能になりました。これにより、ニュートリノと反ニュートリノの識別や大気ニュートリノ背景の抑制が期待されます。近接検出器群のND280は最近アップグレードされ、高角度トラッキングや低運動量荷電粒子の検出性能が向上しており、初期の解析では電子ニュートリノ選択の光子背景が従来の約30%から大きく減ったと報告されています。
振動解析の主な結果として、標準の解析ではCP対称性(CP保存)が90%信頼度で除外されました。また、質量順位(normal ordering と inverted ordering)については正規順序(Normal Ordering)を僅かに好む結果でベイズ比が3.3となり、混合角θ23の上位オクタント(上位領域)もわずかに好まれる傾向でベイズ比2.6でした。大気用質量差|Δm^2_32|の不確かさは1σで約2%に達し、中心値は約2.5×10^−3 eV^2(正規順序を仮定)です。解析の頑健性を調べるために18種類の相互作用や系統モデルの代替を試したところ、多くのケースでCP保存の除外は安定していました。ただし、パラメータの絡み合いやモデル依存性は残っており、完全な確定には至っていません。
T2K単独の解析に加えて、外部データとの共同解析も行われています。NOvA実験との共同解析は地球を通る効果が大きい長基線データを加えることで感度を補い、SK大気ニュートリノデータとの共同解析は上向きに飛んで地球内部を通る高統計サンプルで質量順位の情報を補強します。T2K–SKの共同解析は正規順序を支持し、Jarlskog不変量(CP違反の大きさに関わる指標)のCP保存値を1.9–2.0σで除外しています。一方、T2K–NOvAの共同解析はわずかに逆順序(Inverted Ordering)を好み、逆順序を仮定した場合にはCP保存が3σで除外される結果となりました。いずれの共同解析でもθ23のオクタント不確定性は残っています。
近接検出器による相互作用測定もいくつか重要な新成果を出しています。特に注目は、電子ニュートリノが陽子から正のパイオンを出す反応(νeCCπ+)の炭素上での世界初測定です。この解析では、従来追跡できなかった低運動量のπ+をミシェル電子(π+→µ+→e+の崩壊で得られる電子)の打点パターンから再構成する新手法を使い、pπ<200MeV/cの領域まで感度を拡げました。測定された微分断面積を、現行のニュートリノ相互作用ジェネレータ(Neut5.4やGenie3.4)と比較すると、高運動量パイオン(pπ>1.5GeV/c)では2–3σレベルの差が見られ、共鳴生成モデルや高エネルギーの散乱領域の扱いに改良が必要な可能性を示しています。中性カレントの単一正電荷パイオン生成(NC1π+)の炭素上測定でも、シミュレーションは一般に測定値を下回り、平均で約30%のずれがありました。これらの相互作用測定は、核内効果がニュートリノエネルギー再構成を偏らせるため、振動解析の系統誤差を減らす上で直接重要です。