中性子検出を用いた大気ニュートリノ観測高度化による質量階層性の世界初決定

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ニュートリノ振動現象の観測から、ニュートリノのフレーバー状態が異なる質量の状態が混ざったものであることは知られているが、どのように混合しているのかはニュートリノ質量の大小関係（質量階層性）に依存し、これは未だ未解明である。この質量階層性を決定する有力な手段がスーパーカミオカンデ（SK）での大気ニュートリノ観測だが、水チェレンコフ検出器であるSKではニュートリノ反応で生成されうる低エネルギーハドロンの検出が難しかった。この点を改善すべく、SKには2020年から質量比0.01%、2022年から0.03%のガドリニウムが導入され、SK-Gdと呼ばれる観測フェーズが開始した。SK-Gdではガドリニウムによる中性子捕獲に伴う8MeVのガンマ線を捉えることにより、中性子の検出効率が大きく向上する。本研究ではこの新たに利用可能となった中性子の情報を用いて、大気ニュートリノの観測・振動解析の高度化を試みる。2022年度は、ガドリニウムの追加導入に伴う中性子検出数と捕獲時定数の変化を常時監視し、追加導入が期待通り行われたことを確認した。大気ニュートリノの解析に関しては、ニュートリノ反応で生じる中性子の生成位置から捕獲位置までの変位から中性子の運動量を見積もることにより、ニュートリノのエネルギー・到来方向を再構成する手法を開発、より高度化し、荷電粒子のみを観測する場合と比較してエネルギー・到来方向の精度向上を実現した。この新たな再構成手法を用いた場合の質量階層性への感度も見積もり、系統誤差を考えない場合には感度の向上を確認した。