所報 107

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This paper describes discovery of tau-neutrino appearance in a muon-neutrino beam. The OPERA experiment detected five cases of muon neutrinos transforming into tau neutrinos during a 730 km flight from the CNGS beamline at CERN in Geneva, Switzerland to the Gran Sasso laboratory in Italy, providing conclusive evidence of the neutrino oscillation on appearance mode. Three types of neutrinos are known to exist in nature: electron, muon, and tau neutrinos. Each neutrino produces an electron, muon, or tau charged particle corresponding to its name, when it interacts with matter. Neutrino oscillation is a phenomenon in which neutrinos of a particular flavor (either electron, muon, or tau type) are periodically converted to another type of neutrino with time. The 2015 Nobel Prize in Physics was awarded to neutrino oscillation from natural sources, and this study was referred in the “Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2015”. The OPERA detector is able to identify all three types of charged particles produced and to detect the reactions. The laboratory is located underground then backgrounds from cosmic rays were small. The detector was exposed mu-on-neutrino beams from 2008 to 2012, and a total exposure corresponding to 17.97 × 1019 protons on target resulted in 19505 neutrino interactions in the target fiducial volume. To sort out tau-neutrino interaction candidates from many muon-neutrino background events through tau leptons that have only a short flight length, for this purpose, the nuclear emulsion film technique was employed, which can measure even short flight length with high positional accuracy. A fifth ντ candidate event found in an enlarged data sample is described in this paper. This result established for the first time the oscillation phenomenon in appearance mode from muon neutrino to tau neutrino with a statistical confidence level of 5 sigma.Keywords : neutrino oscillations, appearance mode, nuclear emulsion filmsOPERA Collaboration (N. Agafonova, S. Mikado, et.al.) 　本論文は，ミューニュートリノビームにおけるタウニュートリノの出現事象の発見について述べたものである。OPERA実験は，スイスからイタリアまでの730kmの飛行中にミューニュートリノがタウニュートリノに変化する5例の事象を検出し，ニュートリノ振動現象により明示的にタウニュートリノが出現する決定的な証拠をとらえた。自然界には，電子ニュートリノ，ミューニュートリノ，タウニュートリノの3種類のニュートリノが存在することが知られてる。そして，それぞれのニュートリノは物質と反応したときに，その名前に対応する電子，ミューオン，タウの荷電粒子を生成する。ニュートリノ振動は，特定のフレーバー（電子型，ミュー型，タウ型のいずれか）のニュートリノが，時間とともに周期的に別のタイプのニュートリノに変換される現象である。2015年のノーベル物理学賞は自然界からのニュートリノ振動に授与されたが，本研究はその「2015年ノーベル物理学賞の科学的背景」においても言及された。OPERA検出器は，生成された3種類の荷電粒子をすべて識別しその反応を検出することが可能である。2008年から2012年にかけて上記ミューニュートリノビームを検出器に照射したが，その総照射量は標的において17.97×1019個の陽子に相当し，19505個のニュートリノ反応が蓄積されたことになる。反応検出には，大量のミューニュートリノバックグラウンド事象から飛跡の短いタウレプトンを介しタウニュートリノ反応候補を選別する必要がある。本実験では短い飛跡であっても高い位置精度で測定できる原子核乾板技術を採用した。本論文では，拡大されたデータサンプルで見つかった5番目のタウニュートリノ反応を報告し，この結果は，ミューニュートリノからタウニュートリノへの出現モードでの振動現象を，統計的信頼度5シグマで初めて立証したものである。キーワード：ニュートリノ振動，アピアランスモード，原子核乾板Journal（掲載誌）Physical Review Letters 115, 121802, September 2015－　　－41OPERA実験によるタウニュートリノ出現事象の発見Discovery of tau neutrino appearance in the CNGS neutrino beam with the OPERA experimentPublished Paper